Meranie zrýchlenia

Meranie zrýchlenia

Zrýchlenie je fyzikálna veličina, ktorá udáva ako rýchlo sa mení rýchlosť telesa. Ľudia majú prirodzenú schopnosť byť citlivý na zrýchlenie v troch osiach (dopredu/dozadu, vľavo/vpravo, hore/dole). Účinky zrýchlenia je možne pociťovať napr. pri jazde autom v kopcovitom teréne so zákrutami. Ďalším príkladom je transport vo výťahu, kde je možné pociťovať zmenu rýchlosti pri rozbiehaní alebo spomaľovaní kabíny výťahu.

zrýchlenie je teda dané ako zmena rýchlosti v čase alebo ako derivácia rýchlosti v čase alebo druhá derivácia dráhy v čase.

[m.s^-2]

Zrýchlenie je merané snímačmi zrýchlenia tzv. akcelerometrami. Zrýchlenie je dôležitým parametrom pre určenie absolútneho pohybu, vibrácií alebo pre snímanie zrážky (shock sensing).

Akcelerometre sú používané v rôznych zariadeniach:

samobalancujúce roboty,

autopilot lietadla,

poplašné zariadenia aut,

snímanie zrážky – airbag system,

monitorovanie ľudského pohybu,

navigačné systémy.

Spočiatku boli akcelerometre veľmi veľké a drahé zariadenia a preto sa veľmi nepoužívali. To všetko sa ale zmenilo vďaka príchodu technológií MEMS (micro-electro-mechanical-systems). Tieto technológie umožňujú integrovať na jednom kremíkovom čipe veľký počet mechanických a elektronických prvkov.

Akcelerometre sú komerčne dostupné v rôznych rozsahoch a typoch v závislosti na požiadavkách aplikácie. Vyrábajú sa od malých veľkostí určených pre špeciálne účely až po robustné určené pre drsné podmienky. Sú zostavované ako aktívne alebo pasívne snímače. V aktívne akcelerometre (napr. piezoelektrické) majú na výstupe signál bez potreby externého napájacieho napätia, zatiaľ čo pasívne akcelerometre iba menia svoje elektrické vlastnosti (napr. kapacitu) a vyžadujú externé napájacie napätie.

Vo všeobecnosti by bolo možné zrýchlenie merať pomocou snímačov polohy a rýchlosti ale pre meranie zrýchlenia sa uprednostňujú akcelerometre z týchto dôvodov:

majú široký frekvenčný rozsah od nuly až do vysokých hodnôt. Ustálené zrýchlenie je ľahko merateľné.

častejšie sa vyžaduje meranie zrýchlenia, pretože deštrukčné sily sa často skôr vzťahujú na zrýchlenie než na rýchlosť alebo polohu.

pomocou akcelerometrov sa realizuje meranie prechodových dejov a nárazov ľahšie, než pomocou merania polohy a rýchlosti.

posunutie a rýchlosť môžu byť určené pomocou jednoduchej integrácie zrýchlenia pomocou elektronických obvodov. Uprednostňuje sa skôr integrovanie než derivovanie.

Nahradenie merania zrýchlenia pomocou merania relatívneho posunutia nie je možné realizovať u pohybujúcich sa objektov (vozidiel) a tiež v prípade keď okolo pohybujúceho objektu nie je možné nájsť pevný vzťažný bod. To je prípade merania kmitania ťažkých alebo rozsiahlych objektov, ktorých vibrácie sú prenášané do okolia (meranie kmitania stojana konvertora pomocou snímačov polohy nie je veľmi vhodné nakoľko nie je možné nájsť vzťažný bod, na ktorý sa kmitanie neprenáša, preto je výhodnejšie použiť akcelerometre). Východiskom je teda použitie absolútneho snímača kmitavého pohybu (akcelerometra), v ktorom je vzťažný bod vytvorený vo vnútri snímača za istých dynamických podmienok.

Veľká časť prakticky používaných akcelerometrov sú tzv. priehybové alebo výchylkové akcelerometre (deflection accelerometer). Všeobecná konfigurácia týchto snímačov je naznačená na obr.

Obr. : Absolútny snímač kmitavého pohybu – výchylkový akcelerometer

Podstatou tohto snímača je mechanická kmitavá sústava tvorená seizmickou hmotnosťou m, pružinou o tuhosti k a tlmičom, o ktorom budeme predpokladať, že je úmerný rýchlosti pohybu s konštantou úmernosti b (viskózne tlmenie). Je možné odvodiť, že hmotnosť m je aj pri kmitaní snímača v kľude. Označujeme ju ako seizmickú hmotu a tvorí vzťažný bod vo vnútri snímača, vzhľadom ku ktorému sa meria výchylka pohybu meraného objektu M. K meraniu tejto výchylky x(t) je potom možné použiť akýkoľvek snímač merajúci polohu medzi povrchom kmitajúceho objektu (t.j. krytom snímača) a seizmickou hmotnosťou m.

Existuje veľa rozličných typov výchylkových akcelerometrov. Hoci je ich princíp podobný odlišujú sa v nepatrných detailoch ako sú:

aký pružinový element je použitý,

aký typ tlmenia poskytujú,

aký typ snímača relatívneho pohybu je použitý.

Tieto akcelerometre sa správajú ako systémy 2. rádu.

1. Kapacitný akcelerometer

Obr. : Akcelerometer na kapacitnom princípe

Mechanický kmitavý obvod kapacitných akcelerometrov je tvorený membránou s vhodne tvarovanými špirálovými štrbinami a niekoľkými otvormi (seizmicky element). Membrána je umiestnená medzi pevnými elektródami diferenciálného kapacitného snímača so vzduchovými medzerami. Pohybom membrány sa pumpuje vzduch medzi komorami pri elektródach a tak vzniká obdoba viskózneho tlmenia. Tieto akcelerometre sú vyrábané v rozsahoch od 0,2 až do 1000g.

Obr. : Kapacitný akcelerometer s kmitavou sústavou tvaru membrány

2. Elektromechanické akcelerometre s vyrovnávaním síl (servo akcelerometre)

Elektromechanické akcelerometre ináč nazývané aj servo alebo null-balance typ vychádzajú z princípu spätnej väzby. V týchto snímačoch je hmota citlivá na zrýchlenie udržiavaná v blízkosti neutrálnej polohy alebo nulového posunutia pomocou snímania posunutia a následného spätnoväzbového ovládania posunutia. Proporcionálna magnetická sila je generovaná proti posunutiu hmoty z nulovej polohy, teda je obnovená neutrálna poloha tak ako to spôsobuje mechanická pružina u konvenčného akcelerometra. Výhodou tohto prístupu je lepšia linearita a eliminácia hysterézie, ktorá nastáva napr. u mechanickej pružiny. Taktiež v niektorých prípadoch je toto elektrické tlmenie menej citlivé na zmeny teploty.

Pružné uchytená elektróda tvorí kmitavý obvod a jej výchylka spôsobuje zmenu kapacity voči pevnej elektróde kapacitného snímača. Výstup obvodu pre meranie kapacity produkuje chybový signál a úmerný vzrast prúdu čo vyvolá silové pôsobenie na membránu.

obr. : Servoakcelerometer (1 – elektródy, 2 – pružné členy, 3 – magnet, 4 – cievka)

Magnetická štruktúra v týchto akcelerometroch musí byť tienená voči vplyvom vonkajších poli (poruchové veličiny) alebo zemskému magnetickému poľu.

Servoakcelerometre sa používajú pre meranie zrýchlenia v lietadlách, riadených strelách, pri meraní uhla sklonu pri geologických vrtoch a pod.

3. Piezoelektrické akcelerometre

sú tiež často používaným typom akcelerometra pre meranie zrýchlenia, nárazov a vibrácií. Majú veľmi vysokú vlastnú frekvenciu a preto sú vhodné pre vysokofrekvenčné aplikácie a merania nárazov. Snímač využíva hmotu v priamom kontakte s piezoelektrickým komponentom, alebo kryštálom. Ak je akcelerometer pod vplyvom premenlivého pohybu, kryštál je vystavený premenlivej budiacej sile (F=m.a), spôsobujúcej úmerný elektrický náboj.

Obr. : Kompresný typ piezoelektrického akcelerometra

Používa sa aj usporiadanie so šmykovým namáhaním piezoelektrického elementu. Toto usporiadanie so sebou prináša rad výhod, najmä pokiaľ ide o zmenšenie citlivosti na rušivé vplyvy, ako sú deformácie základne puzdra snímača, tepelné dilatácie, akustické efekty a pod. Využíva sa tu skutočnosť, že náboje vyvolané tepelnou dilatáciou a šmykovým napätím nevznikajú na rovnakých plochách elementu. Naviac nábojová citlivosť pri šmykovej deformácií je podstatne vyššia než pri kompresií. Typickým príkladom snímača tohto typu je tzv. „delta shear“ akcelerometer firmy Bruel – Kjaer. K trojuholníkovému trňu spojenému so základňou puzdra sú kovovým prstencom pritláčané tri doštičkové piezokeramické segmenty. Seizmickú hmotu predstavuje prstenec a segmenty. Tuhosť k tvoria piezokeramické elementy. Akcelerometre tohto typu je možné použiť až do zrýchlenia 20.000g.

Obr. : Piezoelektrický akcelerometer so šmykovým namáhaním (1 – základňa, 2 – segmenty, 3 – trň, 4 – piezokeramické doštičky)

4. Akcelerometer s kmitajúcim nosníkom

Spoločnosť SensoNor vyrába piezoodporový senzor zrýchlenia s obchodným označením SA20 pre aplikáciu v automobiloch. Ročne vyrobia približne 8 miliónov kusov tohto senzora, ktorého vonkajšie rozmery puzdra sú 18 x 18 mm. Jeho vnútorná štruktúra je však oveľa menšia a je vyrobená technológiami mikrostrojov.

SensoNor SA20 - Senzor zrýchlenia (akcelerácie) alebo ináč nazývaný aj senzorom havárie (angl. Crash Sensor) je používaný veľkým množstvom spoločnosti, ktoré vyrábajú protinárazové ochranné systémy vozidiel tzv. air-bagové systémy. Tento senzor aj keď je malý, je veľmi dôležitý, pretože v rozhodujúcom okamihu môže dať impulz a rozhodnúť tak o aktivácii systému air-bag a zachrániť tak ľudský život. Je vyrobený kremíkovou planárnou technológiou. Pružné elementy (nosník) sú však vytvorené procesom leptania. K týmto elementom je prilepená seizmická hmota.

Ak je tento senzor exponovaný v poli zrýchlení, zotrvačnosť seizmickej hmoty spôsobí, že sa kremíkový nosník ohne. Piezorezistívne tenzometre umiestnené na ploche tohto nosníka v dôsledku piezoelektrického javu zmení svoj elektrický odpor. Piezorezistívne tenzometre sú zapojené vo Wheastonovom mostíku, teda zmena jeho elektrického odporu je zachytená s dostatočnou citlivosťou.

Senzor je zapuzdrený v plastovom obale s olejovou náplňou, ktorá zabezpečuje tlmenie a ochranu pred jeho preťažením [7].

 

Obr. : Akcelerometer s kmitajucím nosníkom

Nosník má trojuholníkový tvar a je hmotnosťou m vyladený na rezonančný kmitočet, ktorý je zvolený tak aby pri náraze bola splnená podmienka merania zrýchlenia a bežné otrasy pri jazde nevyvolali falošnú aktiváciu systému.

Obr. : Akcelerometer s kmitajúcim nosníkom s tenzometrickým snímaním

Ďalší typ akcelerometra ADXL50 (výrobca: Analog Devices) používaný pre systémy air bag je realizovaný technológiami MEMS (micro-electro-mechanical-systems). Základom je doštička s polykryštalického kremíka tvarovaná do dvoch pružných tetiv (2), zakotvených na monokryštalickom kremíkovom substráte (1). Obe tetivy, predstavujúce tuhosť k mechanického oscilátora, sú spojené s hrebienkom (seizmická hmotnosť m). Rezonančný kmitočet je volený podľa obvyklých pravidiel pre činnosť akcelerometrov.

Obr. : Mikromechanický akcelerometer vo forme integrovaného obvodu - MEMS

5. Akcelerometer na princípe tepelného poľa

Memsic MX 2125 dvojosový akcelerometer obsahuje komoru s plynom a vyhrievacím elementom v strede. Po obvode sú umiestnené štyri snímače teploty. Je všeobecne známe, že teplý vzduch stúpa smerom hore a studený vzduch klesá smerom dole. Tento jav sa využíva aj v prípade plynu v komore snímača. Ak je snímač rovno a nedochádza k zmene rýchlosti, tak všetky snímače zaznamenajú rovnakú teplotu. Ak snímač nakloníme dôjde k tomu, že horúci plyn sa zhromaždí v blízkosti jedného alebo dvoch snímačov teploty. V tomto prípade je možné zaznamenať naklonenie snímača a statickú akceleráciu (gravitáciu). Dynamická akceleráciu (napr. jazdu autom) je potom možné zaznamenať ako zmenu teploty na jednotlivých snímačoch teploty (podobne ako keď prenášate horúcu kávu). Elektronika vo vnútri súčiastky konvertuje tieto zmeny teploty na šírku pulzu, ktorá je ľahko merateľná.

Rozsah merania je ±2g.

6. Snímače pre inerciálnu navigáciu

Mechanické gyroskopy

Takmer každý, kto už niekedy jazdil na bicykli má skúsenosti so zaujímavou charakteristikou mechanického gyroskopu. Ak jazdec nakloní bicykel doľava okolo horizontálnej osi, predné koleso reaguje odbočením doľava okolo vertikálnej osi. Tento jav je viditeľnejší, ak koleso odmontujeme z bicykla a držíme ho za obe konce osky počas rýchleho otáčania.

Inerciálna navigácia je založená na meraní zložiek zrýchlenia v troch osiach absolútnými snímačmi zrýchlenia a následnej dvojnásobnej integrácií výstupných signálov. Pre určenie aktuálnej polohy objektu je potrebné poznať jeho počiatočnú polohu.

Obr. : Snímač uhlovej rýchlosti na princípe coriolisovej sily.