უმარტივესი აქსელერომეტრი შედგება ელექტრული წრედისგან. სამეცნიერო კონფერენციის მიღება პეტერბურგის სახელმწიფო ბიბლიოთეკაში გამოსაქვეყნებლად

უმარტივესი აქსელერომეტრი შედგება ელექტრული წრედისგან. სამეცნიერო კონფერენციის მიღება სანქტ-პეტერბურგის სახელმწიფო უნივერსიტეტის "ლეტის" EBS-ში გამოსაქვეყნებლად.

Ზოგადი ინფორმაცია

აქსელერომეტრები არის ხაზოვანი აჩქარების სენსორები და, როგორც ასეთი, ფართოდ გამოიყენება სხეულის დახრილობის კუთხეების, ინერციული ძალების, შოკის დატვირთვისა და ვიბრაციის გასაზომად. ისინი ფართოდ გამოიყენება ტრანსპორტში, მედიცინაში, სამრეწველო გაზომვისა და კონტროლის სისტემებში და ინერციულ სანავიგაციო სისტემებში. ინდუსტრია აწარმოებს მრავალი სახის აქსელერომეტრებს, რომლებსაც აქვთ მუშაობის სხვადასხვა პრინციპი, აჩქარების გაზომვის დიაპაზონი, წონა, ზომები და ფასები. აქსელერომეტრების ძირითადი ტიპების შედარება მოცემულია ცხრილში. 1. ნახ. სურათი 1 გვიჩვენებს ფასების ხარისხის დიაგრამაზე სხვადასხვა ტიპის ამაჩქარებლების მიერ დაკავებულ ფართობებს.

ბრინჯი. 1. ფასი-ხარისხის დიაგრამა სხვადასხვა ტიპის აქსელერომეტრებზე

თანამედროვე მიკროდამუშავების ტექნოლოგიები შესაძლებელს ხდის ინტეგრირებული აქსელერომეტრების წარმოებას, რომლებიც მცირე ზომის და დაბალი ფასია. ამჟამად იწარმოება სამი სახის აქსელერომეტრის IC: პიეზოფილმი, მოცულობითი და ზედაპირული.

ცხრილი 1. აქსელერომეტრების შედარებითი მახასიათებლები

ფირის პიეზოელექტრული აქსელერომეტრები

ფირის პიეზოელექტრული აჩქარების სენსორები მზადდება მრავალშრიანი პიეზოელექტრული პოლიმერული ფილმის საფუძველზე. მრავალშრიანი ფილმი ეყრდნობა ალუმინის სუბსტრატს და მასზე დამაგრებულია დაფხვნილი ლითონის ინერციული მასა. როდესაც სენსორის მოძრაობის სიჩქარე იცვლება, ფილმი დეფორმირდება ინერციული ძალების მოქმედების შედეგად. პიეზოელექტრული ეფექტის წყალობით, პოტენციური განსხვავება წარმოიქმნება ფილმის ფენების საზღვრებზე, რაც დამოკიდებულია აჩქარებაზე. სენსორის ელემენტს აქვს უკიდურესად მაღალი გამომავალი წინაღობა, ამიტომ Atochem Sensors-ის ACH-01 სენსორის სუბსტრატი ასევე შეიცავს დაბალი კარიბჭის დენის FET-ს, რომელიც მოქმედებს როგორც ძაბვის გამაძლიერებელი. ეს საშუალებას აძლევს ცვლადი აჩქარების გაზომვას შედარებით დაბალ სიხშირეზე. ამ ტიპის სენსორებს აქვთ მახასიათებლების ცუდი განმეორებადობა მასობრივ წარმოებაში და ძალიან მგრძნობიარეა ტემპერატურისა და წნევის ცვლილებების მიმართ. ისინი ვერ აკონტროლებენ მუდმივ აჩქარებებს და გრავიტაციულ ძალებს. გამოყენების ძირითადი სფეროა საჰაერო ბალიშების კონტროლის სქემები.

მოცულობითი ინტეგრირებული აქსელერომეტრები

მოცულობითი სენსორის მაგალითია Lucas NovaSensor NAC-201/3, რომელიც განკუთვნილია მანქანის აირბალიშების მართვის სისტემებში გამოსაყენებლად. ეს სენსორი შედგება ორი სილიკონის ვაფლისგან 1 და 2, რომლებიც შერწყმულია ერთმანეთთან (ნახ. 2). ვაფერ 1-ში არსებული სამი თხელი სილიკონის სხივით c, d და e, ინერციული მასა a უკავშირდება სილიკონის ჩარჩოს b ვაფლს 2. ეს მასა უკავშირდება სილიკონის ჩარჩოს მექანიკურად ერთ კიდეზე (პუნქტი f ნახ. 2-ზე). . თითოეული მოკლე გარე (მოქნილი) სხივი შეიცავს წყვილ ჩადგმულ პიეზორეზისტორებს, რომლებიც ქმნიან ნახევარ ხიდს. ორი ნახევრად ხიდი უკავშირდება ხიდის წრეს. როდესაც მანქანა ეჯახება დაბრკოლებას, მასა მოძრაობს ქვევით, იხრება c, d, e სხივები და იწვევს პიეზორეზისტორების დეფორმაციას. ამრიგად, სენსორი და ჩიპიდან გამორთული ელექტრონული სიგნალის დამუშავების წრე ქმნიან გამომავალ სიგნალს 50-დან 100 მვ-მდე სრული მასშტაბით ექსპლუატაციის დროს, რაც გამოწვეულია უიტსტოუნის ხიდის წრეში დაკავშირებული პიეზორეზისტორების დეფორმაციით.

ბრინჯი. 2. მოცულობითი დიზაინის ინტეგრალური აქსელერომეტრი

ვინაიდან აირბალიშის მართვის სისტემის საიმედოობა უკიდურესად მოთხოვნადია (წარმოიდგინეთ, რა შედეგები მოჰყვება ცრუ აირბალიშის ამოქმედებას დატვირთულ გზატკეცილზე 150 კმ/სთ სიჩქარით), სენსორი აღჭურვილია თვითმმართველობის მონიტორინგის სისტემით. თვითმონიტორინგის სისტემაში მთავარ როლს ასრულებს აგზნების რეზისტორი, რომელიც თბება მასში ელექტრული პულსის გავლის გზით 50 mA დენის სიმძლავრით, ძაბვით 9 V და ხანგრძლივობით 50 ms. როდესაც ვაფლის 1-ის შუა ნაწილში მდებარე სხივი თბება, ის აგრძელებს, რადგან სილიციუმის გაფართოების ტემპერატურული კოეფიციენტი დადებითია. და რადგან მისი ბოლოები ფიქსირდება, ის იხრება, ახვევს ინერციულ მასას და ღუნავს პიეზორეზისტორების შემცველ სხივს. ეს სხივი მოძრაობს დაახლოებით 3 მიკრონი იმავე მიმართულებით, როგორც მასა, როდესაც მანქანა ეჯახება დაბრკოლებას.

ბრინჯი. 3. აჩქარების სენსორის ელემენტარული უჯრედის ძირითადი სტრუქტურული ბლოკი

სენსორის ჩიპი არ შეიცავს საზომი ხიდის სიგნალის დამუშავების წრეს. სენსორის ვარიანტები განსხვავდება იმით, რომ NAC-203 შეიცავს ჩაშენებულ სქელი ფირის წრეს, რომელიც იძლევა მგრძნობელობის ლაზერული რეგულირებისა და ტემპერატურის კორექტირების საშუალებას წარმოების დროს, ხოლო NAC-201 ამ ფუნქციების განხორციელებას მომხმარებელს უტოვებს. საზომი ხიდის მოდელის NAC-201 შემავალი და გამომავალი წინააღმდეგობები არის 2 kOhm. 3 დბ გამტარობა არის 500 ჰც. მწარმოებლის რეკომენდაციების სრული შესაბამისად დამონტაჟებული მოწყობილობების რეზონანსული სიხშირე არის მინიმუმ 10 kHz.

ბრინჯი. 4. ADXL50 აქსელერომეტრის ბლოკ-სქემა

სამგანზომილებიანი სტრუქტურის აჩქარების ინტეგრირებულ სენსორებს აქვთ მთელი რიგი უარყოფითი მხარეები. პირველ რიგში, მათი დამზადება რთულია, რადგან მოცულობითი სტრუქტურების ფორმირების ოპერაციები არც თუ ისე ადვილად შერწყმულია სტანდარტული ზედაპირის ინტეგრირებულ ტექნოლოგიებთან. მეორეც, სასურველია, რომ მიკროსქემის ჩიპზე გქონდეთ უმცირესი შესაძლო ზომის სენსორი, ასევე ყველაზე მცირე ზომის. ბროლის ზომის შემცირება ზრდის მის მექანიკურ სიმტკიცეს და ამცირებს მის ღირებულებას. ამავდროულად, მოცულობითი სენსორში, მხოლოდ მგრძნობიარე ელემენტის განთავსება მოითხოვს ბროლის ფართობის 6,5-დან 16 მმ2-მდე. ჩიპზე სიგნალის კონდიცირების სქემების განთავსებამ შეიძლება ეს ტერიტორია კიდევ უფრო გააორმაგოს. სწორედ ამიტომ, Motorola-ს აჩქარების ერთ-ერთ სენსორს აქვს ორმაგი ჩიპის დიზაინი. ერთ კრისტალზე არის მოცულობითი მგრძნობიარე ელემენტი, ხოლო მეორეზე არის სიგნალის დამუშავების წრე.

ზედაპირის ინტეგრალური აქსელერომეტრები

Analog Devices აწარმოებს ზედაპირული დიზაინის ამაჩქარებლების ADXLxxx ოჯახს. ამ ოჯახში პირველია ADXL50, რომლის სერიული წარმოება 1991 წელს დაიწყო.

მთელი 3,05-3,05 მმ ამაჩქარებლის კრისტალი ძირითადად დაკავებულია სიგნალის კონდიცირების სქემით, რომელიც აკრავს მის ცენტრში მდებარე მინიატურულ 1-1 მმ აჩქარების სენსორს. სენსორი არის დიფერენციალური კონდენსატორის სტრუქტურა ჰაერის დიელექტრიკით, რომლის ფირფიტები მოჭრილია (ამოჭრილი) 2 მიკრონი სისქის პოლისილიკონის ფირის ბრტყელი ნაწილისგან. ამ კონდენსატორის ფიქსირებული ფირფიტები არის მარტივი კონსოლის ღეროები, რომლებიც განლაგებულია ჰაერში კრისტალის ზედაპირიდან 1 მიკრონის სიმაღლეზე მოლეკულურ დონეზე კრისტალზე შედუღებული პოლისილიკონის წამყვან ძელზე.

ნახ. სურათი 3 გვიჩვენებს სენსორული ერთეულის უჯრედის ძირითად სამშენებლო ბლოკს. სენსორს რეალურად აქვს 54 ერთეული უჯრედი აჩქარების გასაზომად, მაგრამ სიმარტივისთვის, ფიგურა მხოლოდ ერთ უჯრედს აჩვენებს. როდესაც ბროლის მოძრაობის სიჩქარე იცვლება, აჩქარების სენსორის ინერციული მასა ცვლის დანარჩენ კრისტალს. მისი თითის მსგავსი გამონაყარი ქმნის ცვლადი კონდენსატორის მოძრავ ფირფიტას. თითოეულ ბოლოში, ეს სტრუქტურა ეყრდნობა წამყვან საყრდენებს, რომლებიც მსგავსია ფიქსირებული ფირფიტების დამჭერების დიზაინით. ინერციული მასის ბოლოებზე გაჭიმვის ნიშნები, რომლებიც მას შეკიდულს უჭირავს, მუდმივი ელასტიურობის მექანიკურ ზამბარებს ჰგავს, რაც ზღუდავს ტესტის მასის მოძრაობას და მის საწყის მდგომარეობაში დაბრუნებას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ინერციის ძალა აჩქარების გავლენის ქვეშ

დაბალანსებულია ზამბარის დრეკადობის ძალით

სადაც m არის მასა, a არის აჩქარება, k არის ზამბარის სიმტკიცე, x არის მასის გადაადგილება საწყის მდგომარეობასთან შედარებით. აქედან გამომდინარეობს, რომ a = x (k / m) და k/m არის სენსორის დიზაინის პარამეტრი.

ვინაიდან ინერციული მასის მოძრაობა უნდა მოხდეს პოლისილიკონის ფირის სიბრტყეში, სენსორის მგრძნობელობის ღერძი დევს ამ სიბრტყეში და, შესაბამისად, ის პარალელურია ბეჭდური მიკროსქემის დაფის სიბრტყის, რომელზეც სენსორი არის შედუღებული.

ბრინჯი. 6. დახრის გასაზომად აქსელერომეტრის გამოყენება

სტაციონარული კონდენსატორის ფირფიტების თითოეული ნაკრები (Y და Z) ელექტრულად არის დაკავშირებული პარალელურად მიკროსქემის შიგთავსში. შედეგი არის X-Y და X-Z დამოუკიდებელი კონდენსატორების წყვილი, რომელთა მოძრავი ფირფიტა იქმნება ინერციული მასის თითის მსგავსი გამონაზარდების მთელი ნაკრებით. ჩიპის შიგნით, ეს სამი ფირფიტა დაკავშირებულია ჩაშენებულ ამაჩქარებლის სიგნალის კონდიცირების სქემებთან. წყნარ მდგომარეობაში (მოძრაობა მუდმივი სიჩქარით), მოძრავი X ფირფიტის ყველა „თითი“, სტრიების წყალობით, ერთსა და იმავე მანძილზეა სტაციონარული ფირფიტების თითების წყვილიდან. ნებისმიერი აჩქარებით, მოძრავი თითები უახლოვდება სტაციონარული თითების ერთ-ერთ ნაკრებს და შორდება მეორე ნაკრებს. ამ ფარდობითი მოძრაობის შედეგად, შესაბამისი მანძილი ხდება არათანაბარი და იცვლება ტევადობა მოძრავ ფირფიტასა და თითოეულ სტაციონალურ ფირფიტას შორის.

მიუხედავად იმისა, რომ ADXL50 ამაჩქარებლის IC-ში სენსორი და სიგნალის წარმოქმნის წრე რეალურად წარმოადგენს დახურულ ციკლს უკუკავშირით და ძალის დაბალანსებით, ჩვენ ჯერ აღვწერთ მოწყობილობის მუშაობას ღია გამოხმაურებით. იგივე ამპლიტუდის 1 MHz სიხშირის ანტიფაზური მართკუთხა სიგნალები გენერატორიდან მიეწოდება ზედა და ქვედა ფირფიტებს, შესაბამისად, Y და Z (ნახ. 4). CS1 და CS2 ტევადობა ფიქსირებულ და მოძრავ ფირფიტებს შორის აჩქარების არარსებობის შემთხვევაში ერთნაირია, ამიტომ ერთი და იგივე ამპლიტუდის სიგნალები გადაეცემა მოძრავ ფირფიტას. განმეორებითი სიგნალის მიმავალი სხვაობის სიგნალი არის ნული. როდესაც სენსორი აჩქარებს, სხვაობის სიგნალი არ არის ნულოვანი და მისი ამპლიტუდა დამოკიდებულია მოძრავი ფირფიტის გადაადგილებაზე, ხოლო ფაზა განისაზღვრება აჩქარების ნიშნით.

ფაზის მგრძნობიარე დემოდულატორი ამ სიგნალს გარდაქმნის დაბალი სიხშირის სიგნალად (ზოლი 0-დან 1000 ჰც-მდე), რომელიც ახასიათებს აჩქარების სიდიდეს და ნიშანს. ეს ძაბვა მიეწოდება წინასწარ გამაძლიერებელს, რომლის გამომავალიდან სიგნალი მიდის IC-ის გარე პინში.

ბრინჯი. 7. ADXL202 ბიაქსიალური აქსელერომეტრის ბლოკ-სქემა

გარემოს ტემპერატურის გავლენის შესამცირებლად, პარამეტრებში დროებითი ცვლილებების შესამცირებლად და ამაჩქარებლის გარდამავალი რეაქციის არაწრფივობის შესამცირებლად, დეველოპერებმა შემოიტანეს უარყოფითი გამოხმაურება ინერციული მასის პოზიციაზე. ამისათვის, წინაგამაძლიერებლის გამომავალი ძაბვა მიეწოდება 3 MΩ რეზისტორის საშუალებით სენსორის მოძრავ ფირფიტებს. ეს ძაბვა ქმნის ელექტროსტატიკურ ძალებს მოძრავ და სტაციონალურ ფირფიტებს შორის, რომლებიც მიდრეკილნი არიან აღადგინონ ინერციული მასა პირვანდელ მდგომარეობაში. ვინაიდან ჩვენ გვაქვს ამ შემთხვევაში სერვო სისტემა მაღალი ხარისხის ფაქტორით, ინერციული მასა არასოდეს გადაიხრება თავდაპირველი პოზიციიდან 0,01 მიკრონიზე მეტით. აჩქარების არარსებობის შემთხვევაში, პრეგამაძლიერებლის გამომავალი ძაბვა არის VO = 1,8 ვ, სრული აჩქარებით ±50 გ VO = 1,8 ± 1,5 ვ.

ამაჩქარებლის IC-ების გვიანდელ მოდელებში ანალოგური მოწყობილობების ინჟინრებმა მიატოვეს უკუკავშირი ინერციული მასის პოზიციაზე. ერთის მხრივ, ამან შესაძლებელი გახადა სენსორის კრისტალის ფართობის თითქმის განახევრება, მისი ეფექტურობის გაზრდა, გამომავალი ძაბვის რყევის გაზრდა, გარე კომპონენტების პრაქტიკულად აღმოფხვრა და ხარჯების შემცირება, მაგრამ მეორეს მხრივ, გადაადგილება. გაიზარდა ინერციული მასა, რამაც გამოიწვია წრფივობის გარკვეული რეალური გაუარესება.

ADXL ამაჩქარებლების ოჯახი ასევე აღჭურვილია თვითშემოწმების სისტემით. ADXL50-ში სატესტო სიგნალი დაბალი სიხშირის მართკუთხა იმპულსების თანმიმდევრობის სახით გამოიყენება მოძრავ ფირფიტაზე. ეს იწვევს ინერციული მასის რხევებს, როგორც ინერციული ძალების გავლენით გამოწვეულს. სამუშაო სენსორის გამომავალი ძაბვა ასევე შეიცვლება იმავე სიხშირით.

ბრინჯი. 8. XMMA ოჯახის ჩიპის აჩქარების სენსორის გამარტივებული დიზაინი

მოდელებში პოზიციის უკუკავშირის გარეშე, მხოლოდ 42 სენსორული უჯრედი გამოიყენება აჩქარების გაზომვის წრეში. დანარჩენი 12 შედის თვითტესტირების სქემაში. თვითტესტირება ტარდება მიკროსქემის „SELF-TEST“ პინზე მაღალი ლოგიკური დონის გამოყენებით. ამ შემთხვევაში, სენსორის მოძრავ ნაწილს ექვემდებარება ელექტროსტატიკური ძალა, რომელიც შეესაბამება მთლიანი მასშტაბის აჩქარების დაახლოებით 20%-ს. სამუშაო სენსორის IC-ის გამომავალი ძაბვა პროპორციულად შემცირდება. ეს ამოწმებს აქსელერომეტრის სრული მექანიკური სტრუქტურისა და ელექტრული წრედის ფუნქციონირებას.

ელექტროენერგიის წყაროს სტაბილურობის მოთხოვნების შესამცირებლად და ამაჩქარებლების პირდაპირ ბატარეებიდან მიწოდების შესაძლებელს ხდის, მათი გამომავალი ძაბვა ხდება აჩქარებისა და მიწოდების ძაბვის პროდუქტის პროპორციულად. ამ შემთხვევაში, ის უნდა ჩართოთ რაციონალური წრედის მიხედვით, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 5. ამ წრეში მოსახერხებელია ADC-ის გამოყენება, რომელიც იყენებს მიწოდების ძაბვას, როგორც მითითებას. უნდა აღინიშნოს, რომ აქსელერომეტრის გამოსავალსა და ADC-ის UVH შეყვანას შორის უნდა არსებობდეს ბუფერული გამაძლიერებელი, რადგან ამაჩქარებლის გამომავალი დენი მერყეობს ± 100 μA დიაპაზონში და საკმარისად მაღალი შერჩევის სიხშირეზე, UVH კონდენსატორი. არ ექნება დრო ამაჩქარებლის გამოსავალზე ძაბვაზე დასატენად.

ამჟამად, Analog Devices აწარმოებს ინტეგრირებული აქსელერომეტრების რამდენიმე მოდელს: ერთღერძიანი ADXL105, ADXL150, ADXL190 მაქსიმალური აჩქარებისთვის ±5 გ, ±50 გ, ±100 გ, შესაბამისად, და ბიაქსიალური ADXL202, ADXL202, ADXL202 და ADXL150 მაქსიმალური აჩქარებისთვის. 2 გ, ± 10 გ და ± 50 გ შესაბამისად. სენსორები იწარმოება ძირითადად ბრტყელ კერამიკულ QC-14 პაკეტებში, პლანშეტური მილებით, ხოლო ღერძები, რომლებზეც იზომება აჩქარება, მიმართულია მილების სიბრტყის პარალელურად (ანუ ბეჭდური მიკროსქემის სიბრტყის პარალელურად). ADXL202E ვერსია ხელმისაწვდომია მინიატურული ტყვიის გარეშე ბროლის მატარებელში LCC-8, რომლის ზომებია 5-5-2 მმ. მიკროკონტროლერებთან ინტერფეისის გასაადვილებლად, ADXL202 და ADXL210 IC-ების გამომავალი სიგნალები არის მუდმივი სიხშირის მართკუთხა იმპულსები. აჩქარების ინფორმაცია ნაჩვენებია პულსის ფარდობითი ხანგრძლივობით g.

აქსელერომეტრების საინტერესო გამოყენება მაქსიმალური გაზომილი აჩქარების დაბალი მნიშვნელობით (და, შესაბამისად, მაღალი მგრძნობელობით) არის ჰორიზონტთან მიმართებაში დახრილობის კუთხის განსაზღვრა. ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას მანქანის უსაფრთხოების სისტემებში, ბურღის ადგილმდებარეობის დასადგენად დახრილი ჭაბურღილების ბურღვისას და ა.შ.

ბრინჯი. 9. აჩქარების სენსორის უჯრედიდან კონდენსატორების ტევადობის სხვაობის დამოკიდებულების გრაფიკი მოძრავი ფირფიტის მოძრაობაზე

ამაჩქარებლის გამომავალი ძაბვა პროპორციულია მისი მგრძნობელობის ღერძის დახრილობის კუთხის სინუსთან ჰორიზონტთან მიმართებაში. ამ კუთხის ცალსახად დასადგენად აუცილებელია ბიაქსიალური ამაჩქარებლის გამოყენება. ADXL202 თითქმის იდეალურია ამ მიზნით. ამ სენსორის გამომავალი სიგნალების დამოკიდებულება, შემცირებული 1 გ-მდე, მისი დახრილობის კუთხეზე წარმოდგენილია ნახ. 6.

ბრინჯი. 7a გვიჩვენებს ADXL202 ორღერძიანი აქსელერომეტრის გამარტივებულ ბლოკ დიაგრამას. მისი გამომავალი სიგნალები არის იმპულსები, რომელთა ფარდობითი ხანგრძლივობა აჩქარების პროპორციულია. ამ ტიპის გამომავალი უზრუნველყოფს გაზრდილი ხმაურის იმუნიტეტს, სიგნალის გადაცემას ერთი ხაზის გასწვრივ და მის მიღებას ნებისმიერი მიკროკონტროლერის მიერ, რომელსაც აქვს ტაიმერი (ADC არ არის საჭირო!). სიგნალს თითოეული სენსორის არხის გამოსავალზე აქვს ნახ. 7, b და აჩქარება g-ის ერთეულებში გამოითვლება ფორმულით:

გაითვალისწინეთ, რომ ფარდობითი ხანგრძლივობა = 0,5 შეესაბამება ნულოვან აჩქარებას. T2 პულსის პერიოდის გაზომვა არ არის საჭირო თითოეულ პულსზე. მისი გარკვევა საჭიროა მხოლოდ ტემპერატურის ცვლილებისას. ვინაიდან გამომავალი პულსების სიხშირე ორივე არხისთვის ერთნაირია, საკმარისია T2 პერიოდის გაზომვა მხოლოდ ერთ არხზე. ეს მნიშვნელობა დაყენებულია 0,5-დან 10 ms-მდე დიაპაზონში გარე რეზისტორი RSET-ით. PWM გამომავალი ამაჩქარებლების მინუსი არის ძალიან მაღალი სიჩქარის მიკროკონტროლერების გამოყენების აუცილებლობა, რათა მიიღოთ მაღალი გარჩევადობა ფართო გამტარუნარიანობით.

ანალოგური მოწყობილობების ამაჩქარებლების აღწერილობის დასასრულს, წარმოგიდგენთ რამდენიმე საინტერესო ფიგურას, რომელიც ახასიათებს ამ მიკროსქემების წარმოების ტექნოლოგიის დიზაინსა და დონეს.

ინერციული წონის მასა არის 0,1 მკგ.
დიფერენციალური კონდენსატორის თითოეული ნაწილის ტევადობა არის 0,1 pF.
მინიმალური შესამჩნევი ტევადობის გადახრა არის 20 aF (10–18 F).
ტევადობის ცვლილება სრული მასშტაბის აჩქარების შესაბამისი არის 0,01 pF.
კონდენსატორის ფირფიტებს შორის მანძილი არის 1.3 მიკრონი.
მოძრავი კონდენსატორის ფირფიტების მინიმალური შესამჩნევი გადახრა არის 0,2 ანგსტრომი (ატომის დიამეტრის მეხუთედი!).

Motorola-ს XMMA აქსელერომეტრების ოჯახი შედგება პლანშეტური ტევადობითი აჩქარების სენსორის უჯრედისგან და CMOS სიგნალის კონდიცირების სქემისგან, წინა მოდელებისგან განსხვავებით, ერთ ჩიპზე. სენსორული ელემენტი (G-უჯრედი) იკავებს კრისტალის უმეტეს ნაწილს. იგი წარმოიქმნება პოლიკრისტალური სილიკონისგან ზედაპირის მიკროდამუშავების გზით და შედგება ორი ფიქსირებული ფირფიტისაგან, რომელთა შორის არის ფირფიტა, რომელიც დამონტაჟებულია ელასტიურ საკიდზე და შეუძლია გადაადგილდეს ინერციული ძალების გავლენით (ნახ. 8). როდესაც ცენტრალური ფირფიტა გადახრილია მისი საშუალო პოზიციიდან აჩქარების შედეგად, მანძილი მისგან ერთ-ერთ სტაციონარულ ფირფიტამდე გაიზრდება იმავე რაოდენობით, რომლითაც შემცირდება მანძილი მეორე ფირფიტამდე. მანძილების ცვლილებები ახასიათებს აჩქარებას. აჩქარების მგრძნობელობის ღერძი მიმართულია სილიკონის ვაფლის (ჩიპის) ზედაპირზე პერპენდიკულურად, ამიტომ DIP პაკეტში დამზადებული სენსორები ზომავენ აჩქარებას ნორმალურად ბეჭდური მიკროსქემის დაფის მიმართ. იმისათვის, რომ შესაძლებელი გახდეს ბეჭდური მიკროსქემის დაფის პარალელურად მიმართული აჩქარებების გაზომვა, კომპანია ასევე აწარმოებს ამ სენსორებს SIP პაკეტებში, რომლებშიც ჩიპი მდებარეობს ბეჭდური მიკროსქემის დაფის პერპენდიკულარულად.

ბრინჯი. 10. MMAS500G აქსელერომეტრის ბლოკ-სქემა

G-უჯრედების ფირფიტები ქმნიან ორ დაპირისპირებულ კონდენსატორს. როდესაც სენსორი მოძრაობს ფირფიტების სიბრტყის პერპენდიკულარულად მიმართული აჩქარებით, მოძრავი ფირფიტა გადაიხრება აჩქარების საწინააღმდეგო მიმართულებით და მოხდება ფირფიტებს შორის მანძილების გადანაწილება. ორივე კონდენსატორის ტევადობა შეიცვლება ფორმულის შესაბამისად

სადაც S არის ფირფიტების ფართობი, e არის დიელექტრიკული მუდმივი და x არის მანძილი ფირფიტებს შორის. როგორც ხედავთ, ეს დამოკიდებულება არაწრფივია. ნახ. სურათი 9 გვიჩვენებს ამ კონდენსატორების ტევადობის სხვაობის (C1–C2) დამოკიდებულების გრაფიკს მოძრავი ფირფიტის მოძრაობაზე. G-უჯრედის კონდენსატორის შეუსაბამობის გამოვლენის სქემები ზომავს ძაბვის ცვლილებას მოძრავ ფირფიტაზე (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) ან დამუხტავს მასზე (XMMA1000, XMMA2000). ძაბვა იზომება ელექტრომეტრიული გამაძლიერებლით, ხოლო მუხტი იზომება დამუხტვის გამაძლიერებლით. მწარმოებლის მიერ წარმოდგენილი ამ მიკროსქემების ტექნიკური აღწერილობებით ვიმსჯელებთ, ისინი არ აღიქვამენ მუდმივ აჩქარებას. ნახ. სურათი 10 გვიჩვენებს XMMAS500G აქსელერომეტრის ბლოკ-სქემას, რომელსაც აქვს გაზომილი აჩქარების დიაპაზონი 500 გ. ელექტრომეტრიული გამაძლიერებლის გამომავალი სიგნალი მიეწოდება მე-4 რიგის დაბალგამტარ ფილტრს, ხოლო მისგან ტემპერატურის კომპენსაციის წრეში.

Motorola-ს აქსელერომეტრები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას რაციომეტრულ პროგრამებში.

ინტეგრალური აქსელერომეტრების სიზუსტე

სტატიკური სიზუსტე

ამაჩქარებლების მიერ აჩქარების ელექტრულ სიგნალად გადაქცევის სიზუსტე, ისევე როგორც სხვა ტიპის სენსორების სიზუსტე, განისაზღვრება ნულოვანი ოფსეტის სიდიდით, სრული მასშტაბის (ან მგრძნობელობის) შეცდომით, ასევე ამ ტემპერატურით და დროის დრიფტით. პარამეტრები. წრფივი შეცდომები (არაწრფივი) და განივი მგრძნობელობა ასევე შეცდომის მნიშვნელოვანი კომპონენტებია. ნორმალურ პირობებში აქსელერომეტრების ნულოვანი ოფსეტი და მგრძნობელობა რეგულირდება წარმოებისას. ნარჩენი შეცდომა შეიძლება შემცირდეს კალიბრაციის მუდმივების დაკალიბრებით და მიკროკონტროლერის მეხსიერებაში შენახვით. აქსელერომეტრის დაკალიბრება შესაძლებელია ორი გზით: ვიბრაციის სადგამზე საცნობარო აჩქარების სენსორით და გრავიტაციის გამოყენებით.

ბრინჯი. 11. ინტეგრალური აქსელერომეტრის აჩქარებისა და სიჩქარის გრაფიკები ძლიერი გრძივი ვიბრაციების პირობებში

ვიბრაციის სტენდის გამოყენებას აქვს შემდეგი უპირატესობები:

დაკალიბრების უნარი, სენსორების ჩათვლით, რომლებიც მგრძნობიარეა მხოლოდ ცვლადი აჩქარების მიმართ;
სენსორების დაკალიბრების უნარი გ-ზე მრავალჯერ მეტი აჩქარებით;

და უარყოფითი მხარეები:

საჭიროა ძვირადღირებული ვიბრაციის სტენდი;
სენსორის დაფიქსირების პრობლემა მაღალი გ-ზე დაკალიბრების დროს.

გრავიტაციის გამოყენების უპირატესობები კალიბრაციისთვის:

არ არის საჭირო ძვირადღირებული აღჭურვილობა;
მეთოდი ნაკლებად მგრძნობიარეა სენსორის ინსტალაციის შეცდომის მიმართ;

და უარყოფითი მხარეები:

შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ მუდმივი აჩქარებისადმი მგრძნობიარე სენსორებისთვის;
შეუძლებელია სენსორების სრული მასშტაბის დაკალიბრება, რომელსაც შეუძლია დიდი აჩქარების გარდაქმნა.

ტემპერატურის დრიფტი ნულოვანი ოფსეტში და მგრძნობელობა ასევე შეიძლება კომპენსირებული იყოს. ამ მიზნით, ზოგიერთი მოდელი (მაგალითად, XMMA1000, ADXL105) აღჭურვილია ჩაშენებული ტემპერატურის სენსორებით.

ტევადობის ტიპის სენსორებით ინტეგრირებული აქსელერომეტრების კონვერტაციის მახასიათებლების არაწრფივობის ერთ-ერთი მიზეზი არის კონდენსატორის ტევადობის არაწრფივი დამოკიდებულება ფირფიტებს შორის მანძილზე (იხ. სურ. 9). დამუხტვის გამაძლიერებლის გამოყენებისას, როგორც ეს XMMA1000-ში ხდება, მოძრავი ფირფიტის პოტენციალი მუდმივია და უდრის მიწოდების ძაბვის ნახევარს, რომელიც მიგვაჩნია 2 ვ-ის ტოლი (იხ. ნახ. 8). ამ შემთხვევაში, ფორმულიდან q = CV (1) გათვალისწინებით, გამოდის, რომ მოძრავი ფირფიტის მუხტის ზრდა, როდესაც ის მოძრაობს x მანძილზე, იქნება

როგორც ჩანს, მუხტის ზრდის დამოკიდებულება ფირფიტებს შორის მანძილის ცვლილებაზე არაწრფივია. თუ აქსელერომეტრი იყენებს ძაბვის გამაძლიერებელს (ელექტრომეტრული), მაშინ სენსორის კონდენსატორების მუხტი არ შეიცვლება. შემდეგ მოძრავ ფირფიტაზე ძაბვის მატება წრფივად იქნება დამოკიდებული ფირფიტებს შორის მანძილის ცვლილებაზე:

ამ მიზეზების გამო, XMMA1000 აქსელერომეტრს (დამუხტვის გამაძლიერებელს) აქვს ტიპიური წრფივი შეცდომა 1% სრული მასშტაბის 0.5% MMAS40G-ისთვის (ძაბვის გამაძლიერებელი). ADXL აქსელერომეტრების ოჯახს აქვს დიფერენციალური ტიპის ტევადობის სენსორი, რომლის ფიქსირებული ფირფიტები იკვებება თანაბარი, მაგრამ ანტიფაზური აგზნების ძაბვებით V1 და V2 სიხშირით 1 MHz. ამრიგად, შუა ფირფიტაზე სტრესის კომპლექსური ეფექტური მნიშვნელობა, ორკვანძიანი მეთოდის მიხედვით, განისაზღვრება ფორმულით:

(3)

სად არის წრიული აგზნების სიხშირე. იმის გათვალისწინებით, რომ V1 = -V2 და

(3)-დან ვიღებთ

ამრიგად, ძაბვის დამოკიდებულება სენსორის მოძრავ ფირფიტებზე მოძრაობაზე წრფივია. ADXL აქსელერომეტრების ოჯახს აქვს ტიპიური წრფივი შეცდომა 0.2%.

ჰისტერეზი (ანუ არასრული აღდგენა) ვიბრაციებისა და დარტყმების დროს მითითებულია შეცდომის კიდევ ერთ წყაროდ. არ არის ინფორმაცია ჰისტერეზის შესახებ მიკროსქემების საკუთრებაში არსებულ აღწერაში, მაგრამ ამ სტატიის ავტორების მიერ ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა ADXL ოჯახის ინტეგრირებული ამაჩქარებლების გამოყენების შესახებ სიჩქარისა და მოძრაობის დასადგენად, აჩვენა, რომ დიდი ამპლიტუდის არსებობისას ვიბრაციამ, შეცდომამ, რომელიც აშკარად გამოწვეულია ჰისტერეზით, შეიძლება მიაღწიოს აბსოლუტურად არასწორ მნიშვნელობებს. ჩვენი აზრით, ეს ჰისტერეზი გამოწვეულია იმით, რომ მნიშვნელოვანი აჩქარების დროს დაძაბულობის ღეროების დეფორმაცია, რომლებიც ზამბარის როლს ასრულებენ, შეიძლება იყოს არაელასტიური და როცა აჩქარება მცირდება, ინერციული მასა ან ძალიან ნელა უბრუნდება თავის ადგილს. თავდაპირველი მდგომარეობა (ბლანტი არაელასტიურობა) ან საერთოდ არ ბრუნდება. ნახ. ნახაზი 11 გვიჩვენებს აჩქარების (a) და სიჩქარის (b) დროსთან მიმართებაში ADXL150 ამაჩქარებლის, რომელიც დამონტაჟებულია 1,5 მ სიგრძის ფოლადის ღეროს ერთ-ერთ ბოლოზე, რომელიც მოძრაობს მაღალი აჩქარებით 0,5 მ მანძილზე ღეროს ელასტიურობას, ამ მოძრაობას თან ახლავს ვიბრაცია საკმაოდ დიდი ამპლიტუდით, სიხშირით დაახლოებით 300 ჰც. აჩქარების გრაფიკი მიღებული იქნა ამაჩქარებლის სიგნალის უშუალო წაკითხვით 12-ბიტიანი ADC-ის გამოყენებით, შერჩევის სიხშირით 80 kHz. სიჩქარის გრაფიკი არის ამ მონაცემების რიცხვითი ინტეგრაციის შედეგი ტრაპეციული მეთოდის გამოყენებით. დაკვირვების ინტერვალის დასაწყისში და ბოლოს (0-0,9 წმ) სენსორის სიჩქარე ნულის ტოლია. სიჩქარის გრაფიკზე (ნახ. 11, ბ), რომლის წერტილები გამოითვლება აქსელერომეტრის მონაცემებით, სიჩქარის საბოლოო მნიშვნელობის შეცდომა იყო დაახლოებით 1,25 მ/წმ მაქსიმალური სიჩქარით 3,5 მ/წმ.

ბრინჯი. 12. ინტეგრალური აქსელერომეტრის აჩქარებისა და სიჩქარის გრაფიკები შემცირებული ვიბრაციით

ნახ. სურათი 12 გვიჩვენებს იმავე სენსორის აჩქარების (a) და სიჩქარის (b) გრაფიკებს მოძრაობის მსგავსი პარამეტრებით, მაგრამ დამონტაჟებული უფრო ხისტ სტრუქტურაზე. მოძრაობას თან ახლდა მნიშვნელოვნად ნაკლები გრძივი ვიბრაცია. როგორც ხედავთ, სიჩქარის განსაზღვრისას შეცდომა ბევრჯერ შემცირდა.

განივი მგრძნობელობა

განივი მგრძნობელობა ახასიათებს სენსორის უნარს გარდაქმნას 90°-იანი კუთხით მიმართული აჩქარება სენსორის მგრძნობელობის ღერძზე (განივი) ელექტრო სიგნალად. იდეალურ აქსელერომეტრს აქვს ნულოვანი გვერდითი მგრძნობელობა. სენსორის პასპორტის მონაცემები მიუთითებს გვერდითი აჩქარების ნაწილზე (პროცენტებში), რომელიც გადადის გამოსავალზე.

აქსელერომეტრის ხმაური

აქსელერომეტრის გამომავალში შემავალი ხმაური განსაზღვრავს მოწყობილობის გარჩევადობას, რაც მნიშვნელოვანია მცირე აჩქარების განსაზღვრისას. გარჩევადობის ლიმიტი ძირითადად განისაზღვრება გაზომვის ხმაურის დონით, რომელიც მოიცავს გარე ფონურ ხმაურს და თავად სენსორის ხმაურს. ხმაურის დონე პირდაპირ კავშირშია სენსორის გამტარობასთან. გამტარუნარიანობის შემცირება სენსორის გამოსავალზე დაბალი გამტარი ფილტრის ჩართვით იწვევს ხმაურის დონის შემცირებას. ეს აუმჯობესებს სიგნალისა და ხმაურის თანაფარდობას და ზრდის გარჩევადობას, მაგრამ იწვევს ამპლიტუდისა და ფაზის სიხშირის დამახინჯებას. აქსელერომეტრების ზოგიერთი მოდელი შეიცავს კრისტალზე დაბალგამტარ ფილტრს (XMMA ოჯახი - მე-4 რიგი, ADXL190 - მე-2). ბიაქსიალურ ADXL202/210 სენსორებს აქვთ ორი გარე კონდენსატორის დასაკავშირებლად, რომლებიც ქმნიან ორ პირველი რიგის დაბალი გამტარ ფილტრს ორი შიდა 32 kOhm რეზისტორებით.

მაგალითი. ADXL150-ს აქვს ტიპიური ხმაურის სპექტრული სიმკვრივე 1 მგ/ჰც 10-1000 ჰც ზოლში. როდესაც ჩართულია დაბალი გამტარი ფილტრი 100 ჰც სიხშირით, ხმაურის ეფექტური მნიშვნელობა ფილტრის გამოსავალზე იქნება 10 მგგ, ხოლო ამპლიტუდის მნიშვნელობა, 0,997 ალბათობით, იქნება 30 მგგ-ის ფარგლებში. ვინაიდან ამ სენსორის სრული მასშტაბი არის 50 გ, დინამიური დიაპაზონი არის 20 ლგ (50/0.03) = 64.4 დბ. ეს არ არის ცუდი, მაგრამ ამ ინდიკატორში ინტეგრირებული აქსელერომეტრები ბევრად ჩამოუვარდება პიეზოელექტრიულს. მაგალითად, Bruel & Kjaer's Type 4371 პიეზოელექტრული ამაჩქარებლის დინამიური დიაპაზონი 140 დბ.

აქსელერომეტრების მთავარი დინამიური მახასიათებელია -3 დბ გამტარობა. მაგიდაზე 2 გვიჩვენებს ზოგიერთი ტიპის ინტეგრირებული აჩქარების სენსორების ძირითად მახასიათებლებს.

ლიტერატურა

Goodenough F. ინტეგრალური აქსელერომეტრი 50 გ-ზე თვითკონტროლით, განხორციელებული გახურებულ აგზნებაზე // ელექტრონიკა. 1993. No7–8. გვ.54–57.
Goodenough F. ტევადი აჩქარების სენსორი, რომელიც დაფუძნებულია მოცულობითი და ზედაპირული მიკროსტრუქტურების კომბინაციაზე // ელექტრონიკა. 1993. No11–12. გვ.86–87.
Goodenough F. ინტეგრალური აჩქარების სენსორი მანქანის აირბაგებისთვის // ელექტრონიკა. 1991. No 16. გვ 7–14.
Doscher J. აქსელერომეტრის დიზაინი და აპლიკაციები. ანალოგური მოწყობილობები. 1998 წ.
Surridge M., Licht T. R. Piezoelectric Accelerometers and Preamplifiers სახელმძღვანელო. "ბრული და კიერი". 1987 წ.

აქსელერომეტრიეწოდება მოწყობილობას, რომელიც ზომავს მოჩვენებითი აჩქარების პროექციას*. როგორც წესი, აქსელერომეტრი არის მგრძნობიარე მასა, რომელიც ფიქსირდება ელასტიურ საკიდში. მოჩვენებითი აჩქარების შემთხვევაში, მოცემული მასის გადახრა მისი საწყისი პოზიციიდან გამოიყენება ამ აჩქარების სიდიდის შესაფასებლად.

* მოჩვენებითი აჩქარება არის განსხვავება ობიექტის ნამდვილ აჩქარებასა და გრავიტაციულ აჩქარებას შორის.

დიზაინი

აქსელერომეტრები მოდის ერთ, ორ და სამკომპონენტიან ტიპებში. როგორც სახელი გვთავაზობს, ისინი, შესაბამისად, ზომავენ აშკარა აჩქარებას ერთი, ორი და სამი ღერძის გასწვრივ (X, Y, Z).

უწონადობა

უწონობის პირობებში ობიექტის ჭეშმარიტი აჩქარება გამოწვეულია მხოლოდ გრავიტაციული ძალით და, შესაბამისად, ჭეშმარიტი და გრავიტაციული აჩქარებები თანაბარია. შედეგად, არ არის აშკარა აჩქარება და ნებისმიერი ამაჩქარებლის მონაცემები არის 0 (ნულოვანი). ყველა სისტემა, რომელიც იყენებს აქსელერომეტრს, როგორც დახრის სენსორს, წყვეტს ფუნქციონირებას. მაგალითი: სურათის პოზიცია თქვენს ტაბლეტზე ან სმარტფონზე არ შეიცვლება, როდესაც თქვენ ატრიალებთ სხეულს.

მარტივი აქსელერომეტრის სქემა

ასე რომ, უმარტივესი აქსელერომეტრი შედგება ზამბარისგან, მასზე დამაგრებული დატვირთვით და დემპერისგან, რომელიც თრგუნავს ამ დატვირთვის ვიბრაციას. რაც უფრო დიდია აშკარა აჩქარება, მით უფრო დეფორმირებულია ზამბარა და იცვლება ინსტრუმენტის ჩვენებები.

როდესაც ხდება დატვირთვის ინერციული ძალისა და ზამბარის ძალის ბალანსი, აღირიცხება ამ დატვირთვის გადაადგილების რაოდენობა ნეიტრალური პოზიციიდან, რაც მიუთითებს აჩქარების სიდიდეზე (შენელება). ეს მნიშვნელობა ჩაიწერება რაიმე სახის გადაადგილების სენსორით და გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად მოწყობილობის გამოსავალზე.

თანამედროვე აქსელერომეტრების აგების ტექნოლოგიები

მშენებლობის ტექნოლოგიიდან გამომდინარე, განასხვავებენ შემდეგ აქსელერომეტრებს:

პიეზოელექტრული;

პიეზორეზისტიული;

ცვლად კონდენსატორებზე.

პიეზოელექტრული ამაჩქარებლებიფართოდ გამოიყენება ტესტირებისა და გაზომვის პროგრამებში. მათ აქვთ ძალიან ფართო სიხშირის დიაპაზონი და მგრძნობელობის დიაპაზონი. გარდა ამისა, მათ შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული ზომები და ფორმები. ასეთი აქსელერომეტრების გამომავალი სიგნალი შეიძლება იყოს დატენვა ან ძაბვა. სენსორებს შეუძლიათ გაზომონ როგორც შოკი, ასევე ვიბრაცია.

პიეზორეზისტული აქსელერომეტრებიჩვეულებრივ ხასიათდება მგრძნობელობის მცირე დიაპაზონით, რის შედეგადაც ისინი ყველაზე მეტად ვარგისია დარტყმის გამოსავლენად, ვიდრე ვიბრაციის აღმოსაჩენად. ისინი ასევე გამოიყენება ავარიის უსაფრთხოების ტესტებში. ამ აქსელერომეტრებს ზოგადად აქვთ სიხშირის ფართო დიაპაზონი და სიხშირის პასუხმა შეიძლება მიაღწიოს 0 ჰც-ს (ე.წ. DC სენსორები) ან დარჩეს უცვლელი. ეს შესაძლებელს ხდის გრძელვადიანი სიგნალების გაზომვას.

აქსელერომეტრები ცვლადი კონდენსატორების შესახებ, ისევე როგორც პიეზორეზისტიულებს, აქვთ DC პასუხი. ასეთ აქსელერომეტრებს აქვთ მაღალი მგრძნობელობა, ვიწრო გამტარობა, შესანიშნავი ტემპერატურის სტაბილურობა და დაბალი ცდომილება. ეს აქსელერომეტრები ზომავენ დაბალი სიხშირის ვიბრაციას, მოძრაობას და ფიქსირებულ აჩქარებას.

ნებისმიერი აქსელერომეტრის მოქმედების პრინციპი ემყარება სხეულების თვისებას, შეინარჩუნონ პოზიცია უცვლელად იმ ფუძის დაჩქარებული მოძრაობის დროს, რომელზედაც ისინი როგორღაც ფიქსირდება.

გულსაკიდი ამაჩქარებლები ელექტრული ზამბარით (სურათი 6) გამოიყენება სტაბილიზაციის სისტემებში LV მასის ცენტრისთვის პოზიციურ და ინტეგრირებულ ვერსიებში. ქანქარის აქსელერომეტრების დიზაინის საკმაოდ მრავალფეროვანი სქემებია. ამასთან, მათთვის საერთო მახასიათებელია ქანქარასთან დაკავშირებული მექანიკური სისტემის არსებობა და სასარგებლო ინფორმაციის შეგროვების ელექტრული ან ფოტოოპტიკური (ასევე ელექტროსტატიკური, ტევადი) სისტემა.

გაზომვის კომპენსაციის მეთოდი, რომელიც არის ქანქარის ამაჩქარებლების უმეტესობის საფუძველი, პრინციპში უზრუნველყოფს გაზომვის მაღალ სიზუსტეს. ამ მეთოდის დანერგვა აქსელერომეტრებში ხორციელდება კომპენსატორული ძალის ან ბრუნვის მოწყობილობების გამოყენებით, რომლებიც დაფუძნებულია სხვადასხვა ფიზიკურ პრინციპებზე - მექანიკური, ელექტრომაგნიტური, ელექტროსტატიკური.

ამჟამად ყველაზე ფართოდ გამოიყენება მაგნიტოელექტრული გადამყვანები, რომლებშიც საკომპენსაციო ბრუნვა ან ძალა იქმნება მაგნიტური ველის ურთიერთქმედების გამო, რომელიც შექმნილია უკუკავშირის დენით, რომელიც მიედინება გადამყვანის გრაგნილში მუდმივი მაგნიტის ველთან. ასეთი გადამყვანები უზრუნველყოფენ საჭირო ბრუნვებს (ძალებს) მცირე ზომებით და აქვთ მისაღები პარამეტრის სტაბილურობა ამ ეტაპზე.

ქანქარის ამაჩქარებლის მოქმედების პრინციპი გასაღებით გახსნილი (ინტეგრაციული ვერსია) შემდეგია. როდესაც ხდება აშკარა აჩქარება W z, მიმართული OZ ღერძის გასწვრივ, მოძრავი ჩარჩო ქანქარით, რომელიც ცდილობს თავისი პოზიციის უცვლელად შენარჩუნებას, დაიწყებს გაშლას ფიქსირებულ ჩარჩოსთან შედარებით. ჩარჩოების შედარებით ბრუნვის შედეგად მოძრავი ჩარჩოს მაგნიტური ნაკადი, რომელიც გადაკვეთს სტაციონარული ჩარჩოს გრაგნილის მოხვევებს, გამოიწვევს მასში ელექტრომამოძრავებელ ძალას. ფიქსირებული ჩარჩოს გრაგნილიდან ამოღებული ძაბვა, გამაძლიერებელში გაძლიერების შემდეგ, კონდენსატორის და მოქნილი გამტარების მეშვეობით მიეწოდება მოძრავი ჩარჩოს გრაგნილს და გამოიწვევს მასში უკუკავშირის დენს. ეს დენი თავის მხრივ გამოიწვევს მაგნიტურ ნაკადს
მოძრავი ჩარჩო. მუდმივი მაგნიტის მაგნიტური ნაკადის ურთიერთქმედება მაგნიტური ნაკადის საშუალო მნიშვნელობასთან უკუკავშირის დენისგან გამოიწვევს მექანიკური უკუკავშირის მომენტის წარმოქმნას M os, მიმართული ინერციული ძალების M და მომენტის წინააღმდეგ.

თუ ვივარაუდებთ, რომ აშკარა აჩქარება W z მუდმივია, მაშინ მდგრად მდგომარეობაში იქნება თანასწორობა მითითებულ მომენტებს შორის, ე.ი. M os =M და, და გაზომილი აჩქარების საზომი შეიძლება იყოს დენის სიძლიერე i os ქანქარის ამაჩქარებლის უკუკავშირის წრეში, რომელიც მიედინება მოძრავი ჩარჩოს გრაგნილში.

გადამრთველი ღიაა და უკუკავშირის ჯაჭვის ყველა რგოლის სრული იდეალიზაციით, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ

(1.1)

ვინაიდან M და =mlW x , მაშინ როდესაც M os =M ვიღებთ

ან ნულოვანი საწყის პირობებში ინტეგრაციის შემდეგ

(1.3)

ცხადია, მოჩვენებითი აჩქარების ინტეგრალი მოჩვენებითი სიჩქარის ტოლია, ე.ი.

(1.4)

სადაც t k არის ინტეგრაციის ინტერვალი, შესაბამისად

დახურული გასაღებით და იგივე საწყისი მონაცემებით

ამრიგად, იგივე ქანქარიანი ამაჩქარებელი შეიძლება იყოს ინტეგრირებული მოქნილ უკუკავშირთან და პოზიციური ხისტი უკუკავშირით. ეს გარემოება ფართოდ გამოიყენება თვითმფრინავების მართვის სისტემების საწყისი გამოფენის დროს და ფრენისას მათი მოძრაობის კონტროლის დროს. ამრიგად, როდესაც გასაღები ღიაა, ბრძანების მოწყობილობების კომპლექსის საწყისი პარამეტრის სიზუსტე იზრდება, რადგან მოქნილი გამოხმაურებით აღმოიფხვრება ქანქარის ამაჩქარებლის სტატისტიკური შეცდომები ელექტრო ზამბარით, როგორც ავტომატური მართვის სისტემის უმარტივესი წრე. .

კომპენსაციის ტიპის აქსელერომეტრებში კუთხის სენსორი (AS) გამოიყენება აჩქარების სიდიდის შესახებ ინფორმაციის მისაღებად. ფოტოსენსორები (PD) და ტევადი ტიპის სენსორები (CD) ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ამაჩქარებლების როგორც სანავიგაციო, ასევე ინდუსტრიულ მოდელებში.

PD-ის გამოყენება საშუალებას იძლევა გამოიყენოს შედარებით მარტივი ელექტრონული სქემები სასარგებლო სიგნალის გასაძლიერებლად. ტიპიური კომპენსაციის ტიპის ამაჩქარებელი იყენებს ასეთ დისტანციურ კონტროლს.

ამ საზომი მოწყობილობის ძირითადი ელემენტებია:

SD LED;

ორი ფოტოდიოდი VD1 და VD2;

ფარდა, მყარად დამაგრებული ქანქარაზე და მდებარეობს შუქსა და ფოტოდიოდებს შორის;

ანალოგური (წრფივი) სიგნალის DA წინასწარ გამაძლიერებელი, დაფარული უკუკავშირის წინააღმდეგობით Roc;

წინააღმდეგობა, რომელიც გარდაქმნის ძაბვას უკუკავშირის დენად RI;

ბრუნვის სენსორის გრაგნილი (TM) L.

ამ ქანქარის ამაჩქარებლის მუშაობის პრინციპი ანალოგურ (სტანდარტულ) რეჟიმში შემდეგია. როდესაც აინ აშკარა აჩქარება ხდება, მიმართული მგრძნობელობის ღერძის გასწვრივ, ქანქარა და მასთან მჭიდროდ დაკავშირებული ჩამკეტი, რომლებიც ცდილობენ პოზიციის უცვლელად შენარჩუნებას, დაიწყებენ ბრუნვას ამაჩქარმეტრის სხეულთან შედარებით. ფარდობითი ბრუნვის შედეგად, ერთ-ერთი LED ნათდება მეორეზე მეტად. შედეგად, პოტენციური განსხვავება წარმოიქმნება დისტანციური მართვის გამომავალზე. ეს ძაბვა გამოყენებული იქნება წინასწარ გამაძლიერებლის შესასვლელში და გაძლიერების შემდეგ, უკუკავშირის დენის სახით შემოვა DM გრაგნილში. DM გამოიმუშავებს კომპენსაციის მომენტს, რომელიც დააბრუნებს ქანქარას თავდაპირველ მდგომარეობაში. ამრიგად, მიხედვით
უკუკავშირის დენის სიდიდე შეიძლება გამოყენებულ იქნას აშკარა აჩქარების მნიშვნელობის შესაფასებლად.

იმ მომენტში, როდესაც აქსელერომეტრის ქანქარა იწყებს მოძრაობას, მასზე მოქმედებს სტატიკური ხახუნის ძალა, რაც იწვევს შეცდომას გაზომვებში (მგრძნობელობის ბარიერი).

დღეს ჩვენ გვაინტერესებს უმარტივესი რხევითი წრე, მისი მუშაობის პრინციპი და გამოყენება.

სხვა თემებზე სასარგებლო ინფორმაციისთვის ეწვიეთ ჩვენს ტელეგრამის არხს.

რხევები– პროცესი, რომელიც მეორდება დროთა განმავლობაში და ხასიათდება სისტემის პარამეტრების ცვლილებით წონასწორობის წერტილის გარშემო.

პირველი, რაც მახსენდება, არის მათემატიკური ან ზამბარის ქანქარის მექანიკური ვიბრაცია. მაგრამ ვიბრაცია ასევე შეიძლება იყოს ელექტრომაგნიტური.

ა-პრიორიტეტი რხევითი წრე(ან არის ელექტრული წრე, რომელშიც ხდება თავისუფალი ელექტრომაგნიტური რხევები.

ასეთი წრე არის ელექტრული წრე, რომელიც შედგება ინდუქციური კოჭისგან ლ და ტევადობის მქონე კონდენსატორი C . ამ ორი ელემენტის დაკავშირება შესაძლებელია მხოლოდ ორი გზით - სერიულად და პარალელურად. მოდით, ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში აჩვენოთ მარტივი რხევითი წრის გამოსახულება და დიაგრამა.

Ჰო მართლა! ახლა ყველა ჩვენი მკითხველისთვის მოქმედებს ფასდაკლება 10% on ნებისმიერი სახის სამუშაო.

რხევადი წრედის მუშაობის პრინციპი

მოდით შევხედოთ მაგალითს, სადაც ჯერ ვმუხტავთ კონდენსატორს და ვასრულებთ წრედს. ამის შემდეგ წრეში იწყება სინუსოიდური ელექტრული დენი. კონდენსატორი იხსნება კოჭის მეშვეობით. ხვეულში, როცა მასში დენი გადის, ა თვითგამოწვეული ემფ, მიმართულია კონდენსატორის დენის საპირისპირო მიმართულებით.

მთლიანად განმუხტვის შემდეგ, კონდენსატორი ენერგიის წყალობით EMFკოჭა, რომელიც ამ მომენტში იქნება მაქსიმუმი, კვლავ დაიწყებს დამუხტვას, მაგრამ მხოლოდ საპირისპირო პოლარობით.

რხევები, რომლებიც ხდება წრედში - თავისუფალი დემორტული რხევები. ანუდამატებითი ენერგიის მიწოდების გარეშე, რხევები ნებისმიერ რეალურ რხევად წრეში ადრე თუ გვიან შეჩერდება, როგორც ბუნებაში არსებული ნებისმიერი რხევა.

ეს გამოწვეულია იმით, რომ წრე შედგება რეალური მასალებისგან (კონდენსატორი, კოჭა, მავთულები), რომლებსაც აქვთ ისეთი თვისება, როგორიცაა ელექტრული წინააღმდეგობა, ხოლო ენერგიის დანაკარგები რეალურ რხევად წრეში გარდაუვალია. წინააღმდეგ შემთხვევაში, ეს უბრალო მოწყობილობა შეიძლება გახდეს მუდმივი მოძრაობის მანქანა, რომლის არსებობა, როგორც ვიცით, შეუძლებელია.

კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ხარისხის ფაქტორი ქ . ხარისხის ფაქტორი განსაზღვრავს რეზონანსის ამპლიტუდას და გვიჩვენებს, თუ რამდენჯერ აღემატება ენერგიის მარაგი წრეში ენერგიის დანაკარგებს ერთი რხევის პერიოდში. რაც უფრო მაღალია სისტემის ხარისხის ფაქტორი, მით უფრო ნელა იშლება რხევები.

LC მიკროსქემის რეზონანსი

ელექტრომაგნიტური რხევები ხდება გარკვეულ სიხშირეზე, რომელსაც რეზონანსი ჰქვია დაწვრილებით ჩვენს ცალკეულ სტატიაში. რხევის სიხშირე შეიძლება შეიცვალოს მიკროსქემის სხვადასხვა პარამეტრებით, როგორიცაა ტევადობა C , კოჭის ინდუქციურობა ლ , რეზისტორების წინააღმდეგობა რ (ამისთვის LCR წრე).

რხევადი წრედის გამოყენება

რხევითი წრე ფართოდ გამოიყენება პრაქტიკაში. სიხშირის ფილტრები აგებულია მის საფუძველზე არც ერთ რადიო მიმღებს ან სიგნალის გენერატორს ამის გარეშე.

თუ არ იცით როგორ მიუდგეთ LC მიკროსქემის გამოთვლას ან საერთოდ არ გაქვთ დრო ამისთვის, დაუკავშირდით პროფესიონალ სტუდენტურ სამსახურს. მაღალი ხარისხის და სწრაფი დახმარება ნებისმიერი პრობლემის გადაჭრაში არ დაგელოდებით!

პოზიციის უკუკავშირის კომპენსაციის ამაჩქარებლებში მექანიკური ზამბარა იცვლება „ელექტრული ზამბარით“. ეს უკანასკნელი გაგებულია, როგორც ელექტრომექანიკური მოწყობილობა, რომელიც ქმნის მომენტს, რომელიც ანაზღაურებს ინერციულ მომენტს, რომელიც წარმოიქმნება გაზომილი აჩქარების გავლენის ქვეშ.

ბრინჯი. VI 1.23. Pendulum ტიპის კომპენსაციის ამაჩქარებელი

ბრინჯი. VI 1.24. ქანქარის ტიპის კომპენსაციის ამაჩქარებლის მცურავი ვერსია: 1 - ინდუქციური გადაადგილების გადამყვანი; 2 - თხევადი; 3 - float; 4 - ბრუნვის სენსორი; 5 - გამაძლიერებელი

ნახ. VI 1.23 გვიჩვენებს ქანქარის ტიპის კომპენსაციის ამაჩქარებლის ერთ-ერთ დიაგრამას. აჩქარების გავლენის ქვეშ ქანქარა 1-ის გადახრა ინდუქციური სენსორით 4 გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად, რომელიც გაძლიერების შემდეგ მიეწოდება ბრუნვის სენსორის გრაგნილს 2. ეს უკანასკნელი ქმნის კომპენსირებულ ბრუნვას. ელექტრული დენი ფაზის მგრძნობიარე გამაძლიერებლის გამოსავალზე 3 და ძაბვის ვარდნა ivih (შექმნილი ამ დენით დამატებითი წინააღმდეგობის გასწვრივ) პროპორციულია გაზომილი აჩქარების x. ქანქარის რხევების შესასუსტებლად, გამაძლიერებელი შეიცავს კორექტირების ბმულს.

ნახ. VI 1.24 გვიჩვენებს ათწილადის კომპენსაციის ამაჩქარებლის ვარიანტის დიაგრამას. ათწილადის ამწევი ძალა ახლოსაა მოწყობილობის მთელი მოძრავი ნაწილის წონასთან. ათწილადის სიმძიმის ცენტრი გადაადგილებულია ცურვის ღერძთან შედარებით იმ რაოდენობით, რომელიც უზრუნველყოფს საჭირო ქანქარას. ფლოტის მოწყობილობებს აქვთ მაღალი მგრძნობელობა ხახუნის ძალების მცირე შეცდომების გამო.

კომპენსაციის ამაჩქარებლის დიაგრამა ელასტიურ საკიდზე მასით, ტევადობითი სიგნალის სენსორით და ელექტრომექანიკური სენსორით, რომელიც ქმნის კომპენსაციის ძალას, ნაჩვენებია ნახ. VI 1.25. ეს სქემა შესაძლებელს ხდის შეასუსტოს ელასტიური საკიდის ჰისტერეზის გავლენა და მისი მახასიათებლების არაწრფივიობა, იმ პირობით, რომ "ელექტრული ზამბარის" სიმტკიცე ბევრად აღემატება ელასტიური საკიდის სიმტკიცეს.

ბრინჯი. VII.25. კომპენსირებადი აქსელერომეტრი ელასტიური საკიდებით: 1 - ტევადობითი გადაადგილების გადამყვანი, 2 - ინერციული მასა; 3 - ელასტიური შეჩერება, 4 - ძალის სენსორის გრაგნილი, 5 - გამაძლიერებელი

ბრინჯი. VII.26. ამაჩქარებლის ჩართვა

ძალის სენსორში, რომელიც გამოიყენება "ელექტრული ზამბარის" წრეში, განვითარებული ძალა უნდა იყოს პროპორციული დენის მიმართ, რომელიც მიედინება მის გრაგნილში.

აქსელერომეტრების ინტეგრირება.ფრენის სახმელეთო სიჩქარე შეიძლება განისაზღვროს ჰორიზონტალური აჩქარებების განუწყვეტელი ინტეგრაციით, დაწყებული აფრენის მომენტიდან. განვლილი მანძილის დასადგენად, მიღებული მნიშვნელობა კვლავ უნდა იყოს ინტეგრირებული. ინტეგრაცია შეიძლება განხორციელდეს ორი გზით:

ცალკე ელექტრული ან ელექტრომექანიკური ინტეგრატორი, რომლის შეყვანა მიეწოდება აჩქარების პროპორციული ამაჩქარებლის სიგნალით;

მექანიკური ან ელექტრომექანიკური ინტეგრაციის მოწყობილობა, რომელიც კომბინირებულია ამაჩქარებლის მგრძნობიარე ელემენტთან.

განვიხილოთ ბოლო მეთოდი უფრო დეტალურად.

ნახ. VI 1.26 გვიჩვენებს ინტეგრირებული აქსელერომეტრის ერთ-ერთ შესაძლო სქემას. ნახაზის სიბრტყეზე პერპენდიკულარულად მიმართული აჩქარების გავლენის ქვეშ, ქანქარა 6 გადაიხრება და სიგნალი გამოჩნდება ინდუქციურ სენსორში 5. ეს სიგნალი, რომელიც გაძლიერებულია გამაძლიერებლის მიერ, გამოიწვევს ელექტროძრავის 3 ბრუნვას მის ღერძზე დამონტაჟებულია მუდმივი მაგნიტი 2, რომელიც, როდესაც ბრუნავს, იწვევს მორევის დენებს გამტარ ქუდში. მორევის დენების ურთიერთქმედება მაგნიტის ველთან ქმნის ბრუნვას, რომელიც გამოიყენება ქანქარის ღერძზე. ბრუნი მაგნიტის ბრუნვის სიჩქარის პროპორციულია a:

მაგრამ მომენტი აბალანსებს აქსელერომეტრის ინერციულ მომენტს, შესაბამისად, სტაბილურ პროცესში

და მაგნიტის ბრუნვის კუთხე პროპორციული იქნება გაზომილი აჩქარების დროის ინტეგრალისა:

სად არის ქანქარის სიგრძე; - ქანქარის მასა; x არის გაზომილი აჩქარება.

ბრინჯი. VII.27. აქსელერომეტრის წრე აჩქარების ორმაგი ინტეგრაციით

კუთხე a (სიჩქარით შემცირებული) არის ინტეგრირებული აქსელერომეტრის გამომავალი კოორდინატი. ორმაგი აჩქარების ინტეგრაციის მქონე აქსელერომეტრის სქემატური დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. VI 1.27. აქსელერომეტრის მგრძნობიარე ელემენტია ქანქარა 5, რომლის ღერძზე დამონტაჟებულია ელექტროძრავის სტატორი 2.

როტორ 1-ს შეუძლია თავისუფლად ბრუნოს სტატორის შიგნით ქანქარის გადახრა ნულოვანი პოზიციიდან იწვევს სიგნალს ინდუქციურ სენსორში 4, რომელიც მიეწოდება გამაძლიერებლის გამომავალ გამაძლიერებელს - ელექტროძრავის სტატორს. ელექტროძრავის მიერ შემუშავებული ბრუნი იწვევს როტორის აჩქარებით ბრუნვას

სად არის როტორის ინერციის მომენტი.

როტორიდან სტატორამდე გამოყენებული რეაქტიული ბრუნი ასევე ტოლია და მიმართულია ინერციული ბრუნვისკენ, რომელიც განვითარებულია ქანქარა 5-ის მიერ X აჩქარების გავლენის ქვეშ.

წონასწორობის მდგომარეობაში მომენტები და (მიმართული ქანქარის ღერძზე) ურთიერთ კომპენსირებულია. მერის გათანაბრება ვპოულობთ

კუთხე a (შემცირებული სიჩქარით) არის ორმაგი ინტეგრაციის ამაჩქარებლის გამოსავალი. მოწყობილობის შეცდომა ძირითადად გამოწვეულია ხახუნის ძალებით ქანქარის შეჩერებაში და გროვდება მისი მუშაობის დროის კვადრატის პროპორციულად. ეს შეცდომა შეიძლება შემცირდეს ხახუნის ძალების შემცირებით და ელექტროძრავის როტორის ინერციის მომენტის გაზრდით.

სიმებიანი აქსელერომეტრი შეიძლება გამოყენებულ იქნას აჩქარებების ინტეგრირებისთვის. ეს არის ვიბრაციული მოწყობილობა, რომელიც შედგება სიმისგან, რომლის ბუნებრივი სიხშირე იცვლება იმის მიხედვით, რომ მისი დაძაბულობა ქმნის ინერციულ მასას გაზომილი აჩქარების გავლენის ქვეშ. ბუნებრივი სიხშირის ცვლილება სიმის დაძაბულობის ძალის კვადრატული ფესვის პროპორციულია, ე.ი.

სადაც K არის კოეფიციენტი, რომელიც დამოკიდებულია სიმის ზომაზე და ინერციული მასის სიდიდეზე.

თუ ინერციული მასა შეჩერებულია ორ სიმს შორის, რომლებსაც აქვთ საწყისი დაძაბულობა, მაშინ სიმების გასწვრივ მიმართული აჩქარების არსებობისას, ერთი სიმის დაძაბულობა გაიზრდება ოდენობით და მეორის შესაბამისად შემცირდება.

ამ შემთხვევაში, სიმების ვიბრაციის ბუნებრივი სიხშირეები

ამ განტოლებების ერთობლივი ამოხსნა იძლევა

თუ საზომ მოწყობილობაში სიხშირეების ჯამი მუდმივია, მაშინ სიხშირის სხვაობა პროპორციულია გაზომილი აჩქარების x.

ბრინჯი. VII.28. ქანქარის ტიპის კომპენსაციის ამაჩქარებლის ბლოკ-სქემა

ამ შემთხვევაში, ორ სიმებიანი აქსელერომეტრის ბუნებრივი რხევის სიხშირეების განსხვავების ინტეგრალი დროის გარკვეულ მონაკვეთში პროპორციულია აჩქარების ინტეგრალის, ანუ სიჩქარის მატების დროის იმავე პერიოდში. სიმებიანი ამაჩქარებლის სიგნალების ინტეგრირებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ციფრული ინტეგრატორები ან პულსის მრიცხველები მაღალი ხარისხის სიზუსტით. აჩქარებების ინტეგრირების მეთოდები გიროსკოპული ინტეგრირებული აქსელერომეტრების გამოყენებით გიროპენდულებთან მოცემულია თავში. VIII, § 6.

კომპენსაციის აქსელერომეტრების გადაცემის ფუნქციების განსაზღვრა.ქანქარის ტიპის კომპენსაციის ამაჩქარებლის გადაცემის ფუნქცია (ნახ. VI 1.28) განისაზღვრება ნახ. VII.28: