Зелінко А

Зелінко А.І., Кореньков В.М.

Сучасні датчики прискорення

Анотація: у статті розглянуто та порівняно функціональну здатність двох датчиків прискорення ADXL001 Analog Devices і 4517 Brüel & Kjær конденсаторного та п’єзоелектричного типу відповідно.

1. Порівняння датчиків

Датчики прискорення часто використовуються у модальному аналізі – для визначення власних частот певної структури (оправка, інструмент і т.д.). Все більшої популярності набирають так звані датчики МЕМС – мікро-електро-механічна система, які мають дуже низьку ціну, малі габарити (у середньому 5х5х2 мм) і легко інтегруються у сучасній електроніці, але також починають застосовуватись для визначення коливань інструментів малих розмірів.

Проте такі датчики мають дещо гірші технічні характеристики у порівнянні з традиційними. Технічні характеристики 2 обраних типових датчиків прискорення (рис 1.) наведені у табл. 1.

Таблиця 1: Технічні характеристики ADXL001 і 4517 Brüel & Kjær [1] [2]

Властивості	МЕМС ADXL001	4517 Brüel & Kjær
Чутливість, мВ/(9,81м/с²)	2,2	10
Температура використання, ^oC	-40…125	-55…121
Область застосування, 9,81м/с²	±70	500
Циклічне навантаження, 9,81м/с²	4000	5000
Вага, гр	0,2	0,6
Габарити, мм	5x5x2	10x14x7
Резонансна частота, кГц	22	55

$C:\Users\Andrii\Desktop\11.png$

Рисунок 1 ̶ Датчики прискорення

2. Принципи дії датчиків

Конденсаторний принцип

Рухома частина системи – класичний вантаж на підвісах. При наявності прискорення вантаж зміщується відносно нерухомої частини датчика. Обкладка конденсатора, прикріплена до вантажу, зміщується відносно обкладки на нерухомій частині. Ємність змінюється, при незмінному заряді змінюється напруга – цю зміну можна виміряти і розрахувати зміщення вантажу. Знаючи його масу і параметри підвісу можна знайти прискорення (рис. 2).

П’єзоелектричний принцип

Замість зміщення об кладок конденсатора в датчиках такого типу відбувається тиск вантажу на п’єзокристал. Під впливом деформації п’єзоелемент виробляє струм. Із значення напруги, знаючи параметри системи, можна знайти силу, з якою вантаж тисне на кристал і відповідно розрахувати прискорення (рис. 2) [3].

$C:\Users\Andrii\Desktop\mems-accelerometer-1.jpg$ $C:\Users\Andrii\Desktop\mems-accelerometer-3.jpg$

Рисунок 2 ̶ Принципи дії датчиків, зліва конденсаторний, справа п’єзоелектричний

3. Експерименти

Для порівняння точності датчиків прискорення були проведені досліди, під час яких за допомогою імпульсного молотка у фрезі, затисненої у лещатах, збуджувалися частоти широкого спектру. Коли частота співпадала з власною частотою інструменту амплітуда збільшувалася. Два датчики були змонтовані на фрезі, їх напрямки осей вимірювання співпадали. Імпульсний молоток має датчик, який вимірює силу, тому амплітуда складається із відношення сили удару до прискорення вільного падіння. На рис. 3 і 4 зображені експериментальна установка та результат вимірювань відповідно [4]

МЕМС ADXL001

4517 Brüel & Kjær

Інструмент

$D:\OvGU\Masterarbeit\Fotos\Versuche\P1010629.JPG$

Рисунок 3 ̶ Експериментальна установка

Частота

м/с^2·Н

Гц

Рисунок 4 ̶ Результати експериментів

ВИСНОВКИ

МЕМС загалом поступаються точністю стандартним датчикам, але при визначенні власних частот досить точні, а враховуючи дуже низьку вартість та габарити будуть все частіше застосовуватись у сучасних технологіях.

ЛІТЕРАТУРА

1. Інтернет сторінка фірми Analog Devices. Доступна за посиланням:

http://www.analog.com/en/products/mems/mems-accelerometers/adxl001.html#product-overview

2. Інтернет сторінка фірми Brüel & Kjær. Доступна за посиланням:

http://www.bksv.com/Products/transducers/vibration/accelerometers/accelerometers/4517?tab=overview

3. Інтернет сторінка 3Dnews. Доступна за посиланням:

http://www.3dnews.ru/600098

4. Andrii Zelinko, Entwicklung einer Schnittstelle zur Energie- und Datenübertragung für ein sensorisches Werkzeug / Masterarbeit – 2016