Угловые акселерометры

Для измерения угловых ускорений требуется ротор с достаточно большим моментом инерции относительно оси вращения . Этому вращению должен противодействовать упругий элемент закручивания , который создает момент силы, пропорциональный углу закручивания. Тогда в случае возникновения углового ускорения контролируемого объекта в направлении оси акселерометра, ротор под действием момента инерции поворачивается на определенный угол. С использованием микросистемных технологий угловые акселерометры тоже делают в микроминиатюрном исполнении.

3.5 Вибрационные измерительные сенсоры

В этих сенсорах первичным информационным сигналом является изменение состояния механических колебаний тела или системы тел. Механические колебательные системы могут быть очень чувствительными к тем или иным факторам воздействия, чем и пользуются при построении вибрационных сенсоров.

Рассмотрим, и качестве примера, работу пьезоэлектрического кристалла при возбуждении незатухающих механических и электрических колебаний кристалла путем синхронной подкачки энергии. Колебания эти происходят на собственной резонансной частоте кристалла, которая обычно лежит в диапазоне единиц-десятков мегагерц и зависит от его геометрических размеров и массы. Если последние изменяются, то меняется и частота колебаний.

Чаще всего влияющим фактором является добавление на пьезоэлемент незначительной массы, величину которой надо определить. Тогда такой вибрационный сенсор работает как микровесы, чувствительность которых составляет порядка 1 мкг. Изменение частоты (в Гц) в рабочем интервале обычно описывают формулой

Если размерность задана в Международной системе единиц СИ, то надо использовать следующую формулу(формула 3.5):

где – в Гц;–в кг;– в м².

Если на поверхность двух пьезоэлектрических кристаллов нанести специфический рецепторный слой – тонкую пленку материала, который избирательно адсорбирует (присоединяет) молекулы какого-то газа, и обеспечить контакт одного из кристаллов с атмосферой, то в результате абсорбции молекул соответствующего газа масса этого кристалла несколько возрастает. Соответственно изменяется и частота его собственных колебаний. Измеряя разность частот колебаний, можно определять удельное содержание соответствующего газа в атмосфере.

Виброанализаторы

Свою собственную резонансную частоту имеют не только пьезокристаллы, Каждая механическая конструкция имеет свои резонансные частоты, свои характерные колебательные свойства. И при любых механических повреждениях или деформациях картина их собственных колебаний изменяется. Это создает принципиальную возможность по изменению картины механических колебаний обнаруживать нежелательные изменения и дефекты, которые появились в конструкции. Научно-техническую дисциплину, которая этим занимается, называют вибродиагностикой, а приборы для измерения и анализа механических колебаний – виброметрами и виброанализаторами.

Вопросы и упражнения для самопроверки 3 Дать кратко письменные ответы:

1. Какие сенсоры мы относим к классу "механических"?

2. По какому признаку подразделяем мы механические сенсоры на виды?

3. Какие сенсоры называют "деформационными"?

4. Назовите 4-6 видов деформационных чувствительных элементов.

5. Что такое "инклинометр"? Какие виды инклинометров Вы знаете?

6. Что такое Энкодер?

7. Что такое акселерометр? Назовите 2 основных вида акселерометров.

8. Опишите превращения сигналов, которые происходят в микроэлектронном ёмкостном сенсоре линейного ускорения.

9. Что такое кварцевые микровесы? Какое применение они находят сейчас в сенсорах?

10. На каких принципах основан виброанализ?

Упражнение 3.1. Нарисуйте эскиз принципиальной механической схемы акселерометра, измеряющего линейное ускорение. Объясните назначение всех основных элементов этой схемы. Запишите дифференциальное уравнение движения инертной массы.

Упражнение 3.2. Используя формулу (3.5), рассчитайте:

Вариант 1. Изменение частоты колебаний кварцевого пьезоэлемента при увеличении его массы на 1 мкг, если частота его свободных колебаний составляет 4,5 МГц, а площадь электрода S см².

Вариант 2. Массу навески на кварцевых микровесах, если частота колебаний пьезоэлемента изменилась от 4,80 МГц до 4,72 МГц при площади электрода 0,3 см².

Вариант 3. Теоретическую чувствительность микровесов, если площадь электрода пьезоэлемента уменьшить до 5 × 5 мм², и фиксировать изменение частоты на 10 Гц от исходной 4.,5 МГц.

Где: S1=1,6 см².; S2= 0,8 см². ; S3=0,4 см².