Прибор для измерения ускорения принцип работы: Методы и средства измерения ускорений

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.

Акселерометр существует трех основных разновидностей. 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:

• Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности
• Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Принцип действия и устройство акселерометра

Принцип действия и устройство датчика измерения ускорения рассмотрим на примере пружинного акселерометра, в качестве чувствительного элемента которого применяется инерционная масса.

Принцип действия пружинного акселерометра с инерционным чувствительных элементов основан на использовании инерционных сил или моментов, возникающих при движении тела определенной массы с ускорением. Зависимость инерционной силы F, действующей на тело, масса которой равна m при наличии ускорения a, как известно, определяют по второму закону Ньютона:

F = m·a

Датчики с инерционными чувствительными элементами применяют также для измерения вибрации, угловой скорости вращения и т.

д.

Устройство акселерометра.

Чувствительным элементом акселерометра служит инерционная масса 1, подвешенная на двух пружинах 2, прикрепленных в точках А и В к корпусу 3, жестко связанному с движущимся объектом.

Линия АВ является осью чувствительности акселерометра. Она параллельна той оси движущегося объекта, по которой нужно измерить ускорение х.

Рис. 11.1. Принципиальная схема пружинного акселерометра

1 – масса; 2 – пружина; 3 –

корпус; 4 – демпфер;

5 – потенциометр

При отсутствии ускорений натяжение пружин одинаково и масса располагается в среднем (нейтральном) положении. Если объект движется с постоянным линейным ускорением х, то масса перемещается на некоторую величину, при которой инерционная сила Р_ин,возникающая вследствие ускоренного движения массы в абсолютном пространстве, уравновешивается силой Р_упр упругости пружин.

Для успокоения колебаний инерционной массы в переходном режиме служит демпфер 4, создающий силу, пропорциональную скорости перемещения массы относительно корпуса 3. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные демпферы.

Требования к акселерометрам в отношении точности измерения определяются областью применения. Так, погрешности акселерометров в инерциальных системах не должны превышать 0,001%. Акселерометры, используемые в системах управления, имеют погрешности на два-три порядка выше. Погрешности акселерометров, применяемых в качестве визуальных приборов, составляют 1÷3%.

Еще одной областью применения акселерометров является их применение в качестве датчиков измерения перегрузки, действующей на самолет в определенном направлении.

Перегрузкой называется отношение поверхностной силы F, действующей в направлении какой-либо оси самолета, к силе веса G. К поверхностным силам относятся подъемная сила, сила сопротивления и сила тяги. Различают перегрузку нормальную (поперечную), равную отношению подъемной силы к силе веса, продольную и боковую.

Перегрузка – величина безразмерная. Иногда говорят, что перегрузка равна, например,

5g. Это означает, что в данном направлении на летательный аппарат и находящихся в нем членов экипажа действует сила, в пять раз превышающая силу веса. Исходя из определения понятия перегрузки, следует говорить о перегрузке, равной 5, а не 5g.

Наибольшее значение для пилотирования ВС играет вертикальная перегрузка.

Сигналы акселерометров используются также в инерциальных навигационных системах для вычисления скоростей и координат, в системах управления полетом и двигателями, а также для индикации текущего и критического значений перегрузки.

Акселерометры, применяемые в системах управления, ориентируются своими осями чувствительности по главным осям лета тельного аппарата. Такие акселерометры измеряют составляющие вектора ускорения по этим осям, а для получения полного вектора необходимо иметь три акселерометра.

В инерциальных системах навигации оси чувствительности акселерометров ориентируются по осям навигационной системы координат, обычно связанной с Землей. В качестве навигационной системы координат может быть взята, например, географическая система, одна из осей которой направлена по меридиану, а вторая ось перпендикулярна к первой в горизонтальной плоскости. При этом два акселерометра с взаимно перпендикулярными осями, расположенными в горизонтальной плоскости, измеряют горизонтальные составляющие вектора ускорения, а один акселерометр, ось чувствительности которого направлена по вертикали, измеряет вертикальное ускорение.

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс (чувствительных элементов), датчики сигналов перемещения массы, моментные (силовые) устройства, обеспечивающие ввод сигналов обратной связи, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для того чтобы акселерометр реагировал только на ту составляющую ускорения, для измерения которой он предназначен, его инерционная масса должна иметь специальный подвес, удовлетворяющий следующим требованиям:

• минимальное трение в осях подвеса;

• отсутствие перекрестных связей между измерительными осями;

• обеспечение линейной зависимости между отклонениями инерционной массы и измеряемым ускорением.

Подвесы на простых опорах создают значительное трение, которое снижает чувствительность акселерометра. Для уменьшения трения чувствительный элемент укрепляют на рычаге или помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента.

Перспективными являются электромагнитные и криогенные подвесы.

Для преобразования перемещений в электрические сигналы в акселерометрах применяются потенциометрические, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и струнные преобразователи.

Основные требования к преобразователям следующие:

1) большая разрешающая способность;

2) линейная зависимость выхода от входа;

3) отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент.

Этим требованиям не удовлетворяют потенциометрические датчики, поэтому в точных приборах они не применяются.

В качестве моментных (силовых) устройств в акселерометрах для ввода сигналов обратных связей применяются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагнитные устройства.

Для получения акселерометров с требуемыми частотными характеристиками в цепях обратной связи применяют корректирующие фильтры и специальные демпферы. В приборах с жидкостным подвесом для демпфирования используется вязкость самой жидкости.

В качестве примера рассмотрим однокомпонентный акселерометр.

На схеме рис. 11.2 сейсмическая масса 1 подвешена на направляющей 4. Для уменьшения трения о направляющую масса 1, помещенная в жидкость 3, имеет нейтральную плавучесть, что исключает сильное прижатие к направляющей. Сигналы в рассматриваемой схеме, пропорциональные перемещению сейсмической массы, измеряются индуктивным датчиком 6. После усиления в усилителе 5 сигнал поступает на электромагнитный (силовой) привод 7.

Выходным сигналом акселерометра является падение напряжения и на сопротивлении R, включенном последовательно в цепь обмотки силового привода. Демпфирование в приборе получается за счет сопротивления при движении сейсмической массы в жидкости.

Рис. 11.2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – корпус; 3 – жидкость; 4 – направляющий стержень; 5 – усилитель; 6 – индуктивный датчик перемещения; 7 – электромагнитный привод

В акселерометрах рассматриваемого типа можно получить высокую собственную частоту и малую зону нечувствительности.

Последнее достигается уменьшением сил трения за счет взвешивания инерционной массы в жидкости. Для сохранения постоянства характеристик акселерометра необходимо поддерживать температуру жидкости постоянной, что достигается термостатированием.

Основы измерения ускорения | Измерение ускорения | Основы сбора данных

Существуют различные типы датчиков ускорения, соответствующие различным целям измерения. В этом разделе объясняются типы и принципы работы этих датчиков ускорения.

«Измерение ускорения» — в этом руководстве опубликовано все, от базовых знаний до продвинутых методов!

В этом руководстве объясняется, как измерять ускорение — от базовых знаний до продвинутых методов — таким образом, чтобы его было легко понять даже новичкам.

Получить PDF для более подробной информации

Датчики ускорения

предназначены для измерения ускорения (скорости изменения скорости) объекта.
Датчики ускорения обычно делятся на следующие четыре типа.

1. Пьезоэлектрические датчики ускорения
2. Датчики ускорения сервопривода
3. Тензометрические датчики ускорения
4. Полупроводниковые датчики ускорения

Среди этих датчиков датчики ускорения пьезоэлектрического типа считаются наиболее распространенными из-за их компактных размеров, широкого диапазона, высокой чувствительности и т. д.

Пьезоэлектрический эффект относится к явлению, при котором поляризация, генерирующая напряжение, возникает в результате приложения силы к пьезоэлектрическому телу (напротив, явление, при котором сила создается за счет приложения напряжения к пьезоэлектрическому телу, называется «обратным пьезоэлектрическим эффектом»). »). Датчики ускорения пьезоэлектрического типа используют пьезоэлектрический эффект для измерения ускорения.
Типичные пьезоэлектрические тела включают кристалл (SiO2) и сегнетовую соль (KNaC4h5O6).

Скачать PDF

Датчик ускорения использует свой внутренний пьезоэлектрический элемент для измерения движения объекта.

Пьезоэлектрический элемент генерирует электрические заряды, когда он расширяется или сжимается. Ускорение измеряется с использованием выходных электрических зарядов, генерируемых этим расширением/сжатием элемента.
Пьезоэлектрический элемент расширяется или сжимается в зависимости от движения груза вверх/вниз и генерирует электрические заряды в ответ на это изменение.

Скачать PDF

• Измерение ускорения Что такое ускорение?
• Измерение ускорения Важные знания для измерения ускорения

ИНДЕКС

Для тех, кто хочет узнать
больше об ускорении!

В этом руководстве подробно описаны советы по измерению с помощью датчика ускорения. В этом справочнике диаграммы используются для простого для понимания объяснения методов обеспечения отказоустойчивости и ключевых моментов.

Акселерометр

: что это такое и как он работает

Акселерометр — это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции. Сила, вызванная вибрацией или изменением движения (ускорением), заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который создает электрический заряд, пропорциональный действующей на него силе. Так как заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то и заряд пропорционален ускорению. Эти датчики используются по-разному, от космических станций до портативных устройств, и есть большая вероятность, что у вас уже есть устройство с акселерометром. Например, практически во всех современных смартфонах есть акселерометр. Они помогают телефону узнать, испытывает ли он ускорение в каком-либо направлении, и именно поэтому дисплей вашего телефона включается, когда вы его переворачиваете. В промышленных условиях акселерометры помогают инженерам понять стабильность машины и позволяют отслеживать любые нежелательные силы/вибрации.

Узнайте больше об акселерометрах

КАК ВЫБРАТЬ АКСЕЛЕРОМЕТР?

1. Какая амплитуда вибрации должна контролироваться?
2. Какой частотный диапазон нужно контролировать?
3. Каков температурный диапазон установки?
4. Каков размер и форма контролируемого образца?
5. Существуют ли электромагнитные поля?
6. Есть ли в этом районе высокий уровень электрических помех?
7. Заземлена ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?
8. Окружающая среда вызывает коррозию?
9. Требуются ли в данном районе искробезопасные или взрывозащищенные приборы?
10. Является ли участок влажным или моющимся?

Как работает акселерометр?

Акселерометр работает с использованием электромеханического датчика, предназначенного для измерения статического или динамического ускорения. Статическое ускорение — это постоянная сила, действующая на тело, подобно силе тяжести или трению. Эти силы предсказуемы и в значительной степени однородны. Например, ускорение свободного падения постоянно и равно 9.0,8 м/с, а сила гравитации почти одинакова во всех точках Земли.

Силы динамического ускорения неравномерны, лучшим примером является вибрация или удар. Автомобильная авария — отличный пример динамического ускорения. Здесь изменение ускорения является внезапным по сравнению с его предыдущим состоянием. Теория акселерометров заключается в том, что они могут определять ускорение и преобразовывать его в измеримые величины, такие как электрические сигналы.

Акселерометры Тип

Существует два типа пьезоэлектрических акселерометров (датчиков вибрации). Первый тип представляет собой акселерометр заряда с «высоким сопротивлением». В акселерометрах этого типа пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами. Выход заряда требует специальных помещений и приборов, наиболее часто встречающихся в исследовательских учреждениях. Этот тип акселерометра также используется в приложениях с высокими температурами (> 120 ° C), где нельзя использовать модели с низким импедансом.

Акселерометр второго типа представляет собой акселерометр с низким импедансом. Акселерометр с низким импедансом имеет акселерометр заряда в качестве входной части, но имеет крошечную встроенную микросхему и полевой транзистор, который преобразует этот заряд в напряжение с низким импедансом, которое может легко взаимодействовать со стандартными приборами. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности. Источник питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащее питание микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и устраняет уровень смещения постоянного тока. мВ/g рейтинг акселерометра. Все акселерометры OMEGA(R) имеют низкий импеданс.

Основные области применения акселерометров

Акселерометры

находят множество применений в промышленности. Как уже говорилось, вы можете найти их в самых сложных машинах для ваших карманных устройств. Давайте посмотрим на некоторые из реальных приложений акселерометров. Цифровые устройства: Акселерометры в смартфонах и цифровых камерах отвечают за поворот дисплея в зависимости от ориентации, в которой вы его держите.

Транспортные средства: Изобретение подушек безопасности за годы спасло миллионы жизней. Акселерометры используются для срабатывания подушек безопасности, поскольку датчик посылает сигнал при внезапном ударе. Дроны: Акселерометры помогают дронам стабилизировать свою ориентацию во время полета. Вращающееся оборудование: Акселерометры, используемые во вращающихся машинах, обнаруживают волнообразные колебания. Промышленные платформы: Для измерения устойчивости или наклона платформы. Мониторинг вибрации: Машины, которые движутся, создают вибрации, и эти вибрации могут быть вредными для машин, если оставить их усиливаться без присмотра. Акселерометры полезны для мониторинга вибраций и все чаще используются на промышленных предприятиях, турбинах и т. д.

Выберите правильный акселерометр

Акселерометр премиум-класса
Эти акселерометры изготовлены из отборных кристаллов премиум-класса и используют схему с низким уровнем шума для создания акселерометра премиум-класса с низким уровнем шума. Их корпус из нержавеющей стали 316L герметично закрыт от окружающей среды, поэтому они могут выдерживать суровые промышленные условия. Они также имеют искробезопасные варианты FM и CSA. ACC793 представляет собой стандартную конфигурацию с верхним кабелем, а ACC797 — конфигурация низкопрофильного бокового кабеля.

Акселерометр промышленного класса
Акселерометры промышленного класса являются рабочими лошадками промышленности. Они используются во всем, от станков до шейкеров для краски. OMEGA предлагает на выбор четыре модели. ACC101 (на фото) — это высококачественный недорогой акселерометр для приложений общего назначения. ACC 102A герметичен для суровых условий, имеет фиксированный кабель и весит всего 50 грамм. Верхний кабель ACC786A и боковой кабель ACC787A герметично закрыты, а съемные кабели защищены от непогоды.

Акселерометр высокой вибрации
Акселерометры, используемые для контроля высоких уровней вибрации, имеют более низкий выходной сигнал (10 мВ/г) и меньшую массу, чем промышленные акселерометры. ACC103 весит 15 г и может контролировать уровень вибрации до 500 г. Это конструкция с креплением на шпильке, предназначенная для использования на вибростендах, вибрационных лабораториях и тяжелых промышленных станках. ACC104 весит всего 1,5 г и предназначен для крепления на клей. Обе модели имеют частотный диапазон от 3 до 10 кГц и динамический диапазон +/- 500 g.

Часто задаваемые вопросы

Установка акселерометра
Для правильного измерения вибрации датчик должен быть установлен непосредственно на поверхности машины. Это может быть достигнуто с помощью нескольких типов креплений:

— Плоское магнитное крепление
— 2-полюсное магнитное крепление
— Клеи (эпоксидные/цианоакрилатные)
— Монтажная шпилька
— Изолирующая шпилька

Магнитные крепления обычно являются временными креплениями.
Магнитные крепления используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам, обычно используемым в станках, конструкциях и двигателях. Они позволяют легко перемещать датчик с места на место для считывания нескольких местоположений. Двухполюсные магнитные крепления используются для крепления акселерометра к изогнутой ферромагнитной поверхности.

Клей и резьбовые шпильки считаются постоянными креплениями.
Клеи, такие как эпоксидная смола или цианоакрилат, обеспечивают удовлетворительное склеивание для большинства применений. Пленка должна быть как можно тоньше, чтобы избежать нежелательного демпфирования вибраций из-за гибкости пленки. Чтобы снять акселерометр, закрепленный на клею, используйте гаечный ключ на плоских гранях корпуса и поверните его, чтобы разорвать клейкое соединение. НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ МОЛОТОК. Удары по акселерометру повредят его.

Монтажные шпильки являются предпочтительным способом крепления.