Акселерометри компанії Meggitt: рішення для завдань будь-якої складності

1. п'єзоелектричні акселерометри П'єзоелектричні акселерометри широко відомі завдяки своїй надійності,...
2. П'єзоакселерометрів з вбудованою електронікою (Isotron)
3. п'єзорезистивного акселерометри
4. П'єзорезистивного датчики тиску
5. ємнісні акселерометри

п'єзоелектричні акселерометри

Наши партнеры ArtmMisto

П'єзоелектричні акселерометри широко відомі завдяки своїй надійності, довговічності, високого значення середнього часу напрацювання на відмову і можливості працювати в умовах екстремальних температур. Для перетворення високоімпедансних сигналу заряду акселерометра в нізкоімпедансний вихідний сигнал напруги потрібна відповідна електроніка, наприклад трьохканальний перетворювач сигналу 133 компанії Meggitt або серія підсилювачів 2771C. Лінійка п'єзоелектричних акселерометрів Meggitt представлена ​​широким набором моделей, що відрізняються розмірами, характеристиками і конфігурацією, що дозволяє вибрати рішення для вимірювання вібрацій і ударів на будь-якому об'єкті, будь то літак, космічний корабель або супутник, і для будь-яких умов експлуатації, зокрема для наднизьких і надвисоких температур або радіаційних впливів.

Мал. 1. Варіанти конструкцій п'єзоелектричних акселерометрів: компресійного типу (зліва); сдвигового типу (праворуч)

Мал. 2. Тривісний високотемпературний п'єзоелектричний акселерометр (модель 2280) компанії Meggitt

П'єзоелектричний акселерометр являє собою механічну систему з одним ступенем свободи, що здійснює вимушені коливання під впливом сили, що діє з боку об'єкта. Чутливий елемент п'єзоакселерометрів складається з маси, прикріпленої за допомогою п'єзоелектричного елемента до основи таким чином, що при виникненні вібрацій або ударів підстави виникає сила реакції маси, що викликає деформацію п'єзоелемента і генеруюча в ньому заряд, пропорційний величині віброприскорення. При цьому існують різні типи конструкції чутливого елемента, які дозволяють домогтися переваги в тих чи інших областях застосування. Наприклад, п'єзоакселерометрів компресійного типу (рис. 1), де п'єзоелемент працює на розтяг-стиск, ідеально підходять для вимірювання малих величин віброприскорення, оскільки така конструкція дозволяє отримати високу чутливість. Конструкція п'єзоакселерометрів сдвигового типу, де п'єзоелемент працює на зрушення, дає можливість отримати малі габарити і масу приладу, що дозволяє використовувати їх для вимірювань на об'єктах з малою масою і габаритами. Безперечна перевага п'єзоакселерометрів такого типу - можливість максимально розв'язати чутливий елемент від заснування і тим самим істотно знизити передачу механічної напруги підстави на чутливий елемент і температурні похибки. Смуга пропускання п'єзоакселерометрів за допомогою електроніки може бути підлаштована під необхідну смугу частот, що допомагає, зокрема, позбутися від появи в вихідному сигналі коливань на частотах, відповідних власних частот чутливого елемента акселерометра.

Інша особливість п'єзоелектричних акселерометрів полягає в їх застосуванні при надзвичайно широкому діапазоні температур - від кріогенних до екстремально високих, наприклад всередині газотурбінного двигуна (рис. 2). На сьогодні лінійка п'єзоакселерометрів компанії Meggitt містить широкий спектр моделей різних розмірів і форми, від мініатюрних моделей для тестування дрібної електроніки і друкованих плат до п'єзоакселерометрів великих розмірів, призначених для сейсмічних вимірювань.

П'єзоелектричні датчики тиску і мікрофони

Крім п'єзоелектричних акселерометрів, в лінійці продукції компанії Meggitt присутні датчики динамічного тиску і мікрофони, побудовані за схожим принципом. Лінійка п'єзоелектричних датчиків динамічного тиску розроблена таким чином, що дозволяє приладу стабільно працювати в умовах вібрацій і високих температур з хорошою температурною стабільністю аж до +538 ° C. Це дає можливість застосовувати датчики в жорстких умовах експлуатації - для проведення вимірювань в камері згоряння, на випробувальних стендах для двигунів, в аеродинамічних трубах і двигунах і т.? Д. П'єзоелектричні мікрофони призначені для вимірювання параметрів високоінтенсивного акустичного шуму і дуже малих флуктуацій тиску. Вони нечутливі до змін висоти і вібрацій, а їх конструкція передбачає експлуатацію в широкому діапазоні температур.

П'єзоакселерометрів з вбудованою електронікою (Isotron)

Акселерометри Isotron є тими ж самими п'єзоелектричними акселерометрами, але додатково оснащеними підсилювачем заряду для перетворення сигналу заряду акселерометра в нізкоімпедансний вихідний сигнал напруги, що позбавляє від необхідності застосовувати зовнішній підсилювач. Таке рішення знижує гостроту проблем, пов'язаних з передачею сигналу по кабелю на великі відстані і перешкоди сигналу, але обмежує діапазон робочих температур і робить датчик більш чутливим до електростатичного розряду. Електроніка акселерометрів Isotron відповідає загальноприйнятим стандартам, що дозволяє застосовувати їх не тільки з аналізаторами і системами збору даних, доступними у компанії Meggitt, але і з будь-якими іншими.

Мал. 3. Тривісний надмініатюрний п'єзоелектричний акселерометр Isotron з вбудованою електронікою (модель 35B) компанії Meggitt

Незважаючи на зазначені особливості, п'єзоакселерометрів з вбудованою електронікою дуже широко поширені в якості акселерометрів як загального, так і спеціального призначення під час відсутності екстремальних умов навколишнього середовища. Лінійка акселерометрів Isotron компанії Meggitt представлена ​​широким модельним рядом рішень різного розміру і форми, з різною чутливістю і діапазоном вимірювання (рис. 3, 4). Ряд розробок компанії Meggitt в цій області є унікальним, наприклад, надмініатюрні моделі з пропускною здатністю 30 кГц або надчутливі моделі для вимірювання сейсмічних коливань, або моделі з розширеним температурним діапазоном, що перевищує прийняті індустріальні стандарти для акселерометрів з вбудованою електронікою.

Мал. 4. Малошумящий високочутливий п'єзоелектричний акселерометр Isotron з вбудованою електронікою (модель 86) компанії Meggitt

Мал. 5. Варіант конструкції п'єзорезистивного акселерометра

п'єзорезистивного акселерометри

П'єзорезистивного акселерометри - ідеальний варіант для вимірювання ударів, особливо великий величини. Вони дуже часто використовуються при проведенні краш-тестів автомобілів, тестів на удари і падіння вантажів в упаковці, випробуваннях зброї. Такі акселерометри виготовляються методами мікромеханіки і являють собою рухливу масу на пружному підвісі з п'єзорезистивного елементами, з'єднаними в бруківку схему (рис. 5). При виникненні прискорення підстави рухлива маса починає відхилятися від свого нейтрального положення, викликаючи появу механічної напруги в пьезорезісторах, що призводить до зміни їх опору, розбалансування моста і появі напруги в діагоналі моста, пропорційного вимірюваній прискоренню. Залежно від призначення в деяких акселерометрах передбачена велика демпфірування для запобігання переходу їх у насичення, в той час як в інших, навпаки, від демпфірування намагаються позбутися для підвищення смуги пропускання акселерометрів. П'єзорезистивного акслерометри володіють високим співвідношенням сигнал-шум, температурним діапазоном -20 ... + 120 ° C, а можливість вимірювання постійних прискорень дозволяє застосовувати їх для визначення плавно наростаючих прискорень, в тому числі в краш-тестах. Лінійка п'єзорезистивних акселерометрів компанії Meggitt передбачає різні варіанти корпусів з різними габаритами, що робить легким і зручним вибір рішень для конкретного завдання (рис. 6).

Мал. 6. Надлегкий п'єзорезистивного акселерометр (модель 7264H) компанії Meggitt

П'єзорезистивного датчики тиску

Крім лінійки п'єзорезистивних акселерометрів, компанія Meggitt пропонує лінійку п'єзорезистивних датчиків тиску, реалізовану на основі тієї ж технології: на чутливому елементі у вигляді мембрани, виготовленої методами мікромеханіки, розташовані п'єзорезистивного елементи, з'єднані в бруківку схему. Такі датчики відрізняються широкою смугою пропускання, гарною чутливістю, лінійністю і малим гістерезисом і можуть застосовуватися для вимірювання динамічного і статичного тиску при проведенні випробувань і вимірювань в авіакосмічній галузі, автомобільної промисловості, машинобудуванні та інших галузях (рис. 7).

Мал. 7. Мініатюрний високочутливий п'єзорезистивного датчик тиску (модель 8510C) компанії Meggitt

ємнісні акселерометри

Акселерометри ємнісного типу компанії Meggitt, як і п'єзорезистивного акселерометри, виготовляються методами МЕМС-технології, але істотно відрізняються за конструкцією і характеристиками. Такі акселерометри являють собою структуру типу «сандвіч», де чутливий елемент у вигляді рухомої маси, пов'язаної з рамкою за допомогою пружного підвісу, розміщується між двома відповідними частинами, утворюючи диференціальну емкостную структуру (рис. 8). При наявності прискорення підстави рухлива маса відхиляється від свого нейтрального положення, і з диференціального ємнісного датчика переміщення надходить сигнал, пропорційний вимірюваній прискоренню.

Мал. 8. Конструкція ємнісного акселерометра: загальний вигляд чутливого елемента типу "сендвіч" (зліва); збільшений вид пружного підвісу акселерометра (праворуч)

Акселерометри ємнісного типу, як правило, застосовуються для вимірювання постійних прискорень і вібрацій у відносно вузькій смузі частот, зокрема для визначення параметрів руху рухомих об'єктів, проведення динамічних випробувань, систем моніторингу. Наявність газового демпфування і обмежувачів відхилення рухомої маси дозволять акселерометр зберігати свою працездатність навіть при наявності ударів і вібрацій. У сукупності з інтегрованою електронікою вдається отримати акселерометри зі стабільними і хорошими точносних і динамічними характеристиками і температурним діапазоном -55 ... + 125 ° C (рис. 9).

Мал. 9. Ємнісний акселерометр (модель 7290D) компанії Meggitt

Крім датчиків, описаних вище, компанія Meggitt пропонує обладнання і додаткові аксесуари, які використовуються разом з датчиками для побудови системи збору даних і рішення задач випробування і вимірювання. До таких приладів відносяться всілякі підсилювачі і перетворювачі сигналів, починаючи від портативних пристроїв і закінчуючи стаціонарними лабораторними варіантами; збудники коливань для структурного аналізу конструкцій, від електромагнітних низькочастотних моделей до п'єзоелектричних високочастотних збудників; модальні молотки, а також широкий спектр різних кабелів і з'єднувачів, що включає малошумливі варіанти і високотемпературні жорсткі кабелі, і інші аксесуари для акселерометрів і вимірювальних систем.

У лінійці датчиків Meggitt присутні і «розумні» моделі датчиків iTEDS з вбудованою пам'яттю, що відповідають стандарту IEEE 1421.4. Вбудована пам'ять призначена для зберігання серійного номера датчика і індивідуальних калібрувальних даних, що дозволяє швидко налаштувати вимірювальну систему і при цьому уникнути помилок.

Хотілося б приділити особливу увагу основним характеристикам віброакселерометров, про які слід пам'ятати при виборі тієї або іншої моделі. Як правило, вибір варто починати з визначення необхідної чутливості акселерометра, максимальної вимірюваної частоти вібрації, яка залежить від власної частоти акселерометра, і його маси - від цих трьох ключових взаємопов'язаних характеристик залежить тип використовуваного акселерометра. Кожна конструктивна схема (наприклад, п'єзоакселерометрів компресійного або зсувного типу) має властивою тільки їй чутливістю. Б Більша чутливість схеми дозволяє отримати при одній і тій же величині чутливості віброакселерометр з меншою масою і габаритами і, відповідно, з більшою власною частотою і смугою пропускання. Очевидно, що збільшення маси і розмірів акселерометра в будь-якої конструктивної схемою призведе до збільшення чутливості приладу і одночасного зниження власної частоти і смуги пропускання.

Вибір маси акселерометра залежить від маси конструкції або її елементів - чим більше маса акселерометра наближається до величини маси об'єкта, чиї коливання необхідно вимірювати, тим більше сам акселерометр буде впливати на ці коливання і на частотні характеристики конструкції в цілому. У зв'язку з цим масу акселерометра бажано вибирати таким чином, щоб вона становила не більше 5% від маси досліджуваного елемента.

Верхня частота смуги пропускання, як уже згадувалося, визначається власною частотою акселерометра і його способом кріплення. У разі хорошого жорсткого кріплення АЧХ є практично прямий аж до частоти, що відповідає 20% від власної частоти. За допомогою схем компенсації сигналу в електроніці і його фільтрації можна збільшити смугу пропускання до 50% від власної частоти. Нижня частота смуги пропускання звичайно відповідає значенням в межах 1-5 Гц і визначається використовуваної електронікою.

Крім зазначених характеристик, на першому етапі також треба звернути увагу на діапазон виміру акселерометра, який визначає максимальну величину вимірюваного прискорення. Потім можна переходити до точносних і експлуатаційним параметрам, таким як нелінійність вихідної характеристики, перехресна чутливість, температурний коефіцієнт зміни масштабного коефіцієнта, шумові складові, температурний діапазон, і іншим.

На закінчення хотілося б відзначити, що в більшості випадків кожна задача вимагає індивідуального підходу, і зазначена послідовність не є аксіомою. Так, при необхідності проводити випробування в умовах підвищених температур на перше місце може вийти діапазон робочих температур і відсунути на другий план інші характеристики.

Стаття опублікування в журналі « Компоненти і технології »№11'2017.