3. Акселерометры

Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть ускорение, вызванное равнодействующейсилнегравитационной природы, действующая намассуи равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях.

Принцип действия простейшего акселерометра изображен на рисунке 1.

Рисунок 1 Принцип действия простейшего акселерометра

Груз закреплен на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменаяя показания прибора.

Используемый акселерометр – акселерометр на переменных конденсаторах. Это обеспечивает компактность и высокую точность измерений.

При воздействии на подвижный элемент сенсора массой F = ma возникает смещение x_i, пропорциональное ускорению.

= ;

где 𝛃– жесткость подвески,a– ускорение смещения сенсора,w₀– собственная частота колебаний сенсора, определяющая чувствительность механической части системы.

При малых смещениях подвижной части электрический сигнал пропорционален величине смещения, которое, в свою очередь, пропорционально ускорению.

В отличие от других типов вибродатчиков, пьезоэлектрический акселерометр эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах.

Акселерометр различают по:

Виду движения

• линейный;

• угловой.

По технологии изготовления

• пьезоэлектрические акселерометры;

• пьезорезистивные акселерометры;

• акселерометры на переменных конденсаторах.

Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Отличаются широким диапазоном частот (от нескольких Гц до 30 кГц), при этом частотная характеристика может оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.

Наиболее распространенный тип акселерометра, используемый для измерения механической вибрации и ударов – пьезоэлектрический акселерометр. Это определяется качествами, свойственными этому типу датчиков вибрации.

Основные преимущества пьезоэлектрических акселерометров:

• широкий частотный диапазон;

• линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;

• возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виюроперемещению;

• способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность);

• высокая механическая надежность и долговечность ( нет движущихся частей);

• отсутствие необходимости в источнике питания, т.к. пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа.

Пьезоэлектрический акселерометр состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. Пьезоэлемент из поляризованной пьезокерамики или пьезокристалла выполняет роль пружины, соединяющей массу с основанием. В силу своей инертности при воздействии вибрации на основание пьезоакселерометра, инерционная масса отстает в своем движении от основания, это вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на его обкладках заряда, пропорционального ускорению.

Рисунок 2 Основной принцип работы пьезоэлектрических акселерометров

Акселерометры на переменных конденсаторах– продукт самых современных технологий. Они отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3кГц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180⁰С не превышает 1.5 %. Акселерометры этого типа отлично подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения, однако их стоимость ввиду новизны препятствует широкому распространению.

Рисунок 3 Основной принцип работы акселерометров на переменных конденсаторах

Существуют определенные требования к установке акселерометров при диагностировании объекта контроля. Эти требования включают в себя следующее:

• акселерометр должен воспроизводить, насколько это возможно, движение испытуемой конструкции в месте установки датчика;

• установка акселерометра должна влиять на колебания конструкции в минимальной, насколько это возможно, степени;

• отношение сигнала с выхода акселерометра к воспринимаемым им колебаниям не должно быть искажено влиянием собственной резонансной частоты установленного акселерометра.

Для реализации указанных принципов необходимо выполнить следующие требования:

• акселерометр и его крепление должны быть максимально жесткими и твердыми, а поверхность крепления – максимально чистой;

• само крепление должно вносить минимальные искажения в движение конструкции, для чего рекомендуется использование симметричных креплений;

• масса акселерометра вместе с устройством крепления должна быть мала в сравнении с динамической массой конструкции.

Поверхность, на которую устанавливается датчик, должна быть проверена на гладкость и наличие загрязнений и, если необходимо, подвергнута дополнительной шлифовке.