Рекомендации по выбору акселерометра

На первом этапе процесса выбора необходимо определить тип предполагаемых измерений. Для измерения с помощью акселерометра используются три известные технологии.
Пьезоэлектрические акселеромет­ры (ПЭА) — наиболее широко применяемые устройства в приложениях по тестированию и измерениям. Эти устройства работают в очень широком диапазоне частот (от нескольких Гц до 30 кГц) и имеют различную чувствительность, вес, размеры и форму. ПЭА имеют зарядовый выход или выход по напряжению и применяются для измерения вибраций и ударов.
Пьезорезистивные акселерометры (ПРА), как правило, имеют очень низкую чувствительность, поэтому исполь­зуются для измерения ударного ускорения и в меньшей степени — при измерении вибраций. Их также широко применяют в испытаниях на ударную прочность при столкновении с препятствием. ПРА функционируют в широкой полосе частот (от нескольких сотен Гц до более чем 130 кГц), при этом их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) может начинаться от 0 Гц (т.н. DC-датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
Емкостные акселерометры (ЕА) относятся к устройствам с применением новейших технологий. Как и у пьезорезистивных акселерометров, их АЧХ начинается от 0 Гц. Такие акселерометры имеют высокую чувствительность, узкую полосу пропускания (15…3000 Гц) и высокую температурную стабильность. Погрешность чувствительности в диапазоне рабочих температур до 180°C не превышает 1,5%. ЕА используются для измерений низкочастотных вибраций, движения и установившегося ускорения.

Прежде всего, мы кратко опишем базовые типы измерений, а далее остановимся на них подробнее. Мы разделяем измерения на три следующие категории.
Вибрация. Объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и авиакосмической промышленностях, а также в промышленном производстве.
Ударное ускорение. Измеряемый объект может подвергнуться внезапному механическому воздействию. Ударный импульс поступает от взрыва, молотка или в результате столкновения с другим объектом.
Движение. Измерение медленного перемещения в течение долей секунды до нескольких минут, например перемещение руки робота или подвески автомобиля.
Сейсмические вибрации. Измерение низкочастотных колебаний, приводящих к незначительному изменению положения тела. Такие измерения требуют специализированных малошумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмических исследований измеряют движение мостов, полов, а также сейсмовибрации.

Прежде чем мы обсудим технологии и особенности их применения, дадим несколько определений общего характера.
АЧХ — это зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешнего механического воздействия в частотном диапазоне с фиксированной амплитудой. Это один из основных параметров, от которого зависит выбор того или иного компонента. Диапазон частот обычно определяется серией экспериментов и указывается в спецификации. Как правило, этот параметр указывается с точностью до ±5% от опорной частоты (100 Гц).
Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ, а в некоторых случаях — на ±3 дБ. Эти значения определяют точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Во многих технических описаниях представлены типичные графики АЧХ, которые иллюстрируют, как изменяется точность компонента в указанных частотных диапазонах.
Другим важным параметром акселерометра является число осей измерения. В настоящее время выпускаются устройства с одной и тремя измерительными осями. В альтернативном варианте создания трехосной системы три акселерометра устанавливаются в один измерительный блок. Оба метода позволяют проводить измерения одновременно по трем ортогональным осям.

Пьезоэлектрические акселерометры являются наилучшим выбором при измерении вибраций в большинстве приложений благодаря широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности, высокой разрешающей способности и простоте установки. В зависимости от типа выходного сигнала, они подразделяются на устройства с зарядовым выходом и акселерометры со встроенным преобразователем сигнала (Internal Electronic Piezoelectric — IEPE) с выходом по напряжению.
Последнее время широко используются IEPE-акселерометры, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители этих устройств придерживаются единого (но не утвержденного) промышленного стандарта, и потому акселерометры взаимозаменяемы. Обычно в состав IEPE-акселерометра входит усилитель заряда, благодаря чему не требуются дополнительные внешние компоненты и используется недорогой кабель. Для подключения акселерометра необходим источник постоянного тока. Для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах рабочих температур –55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры IEPE-типа.
Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в чрезвычайно широком диапазоне амплитуды, который по большей мере определяется настройками усилителя заряда (акселерометры IEPE-типа имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур акселерометров с зарядовым выходом составляет –55…288°C, а специализированные устройства могут работать в более широком диапазоне: –269…760°C.
В отличие от IEPE-акселерометров, датчики с зарядовым выходом требуют специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену стандартных коаксиальных кабелей. Для подключения датчиков требуются усилители заряда или встроенные линейные преобразователи заряда. Таким образом, емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных (выше 175°C) измерений или в случаях, когда измеряются неизвестные заранее высокие ускорения.
В приложениях, где требуется измерять вибрации очень малой частоты, рекомендуется использовать емкостные акселерометры. Их АЧХ изменяется в диапазоне 0 Гц…1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности. При проведении измерений НЧ-вибраций емкостной акселерометр обеспечивает чувствительность 1 В/г. Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автотранспортных приложениях, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.

Для измерения ударных ускорений используются две технологии, в зависимости от силы удара и выходных данных. При выборе типа акселерометра требуется определить значения ударного ускорения в соответствии со следующим списком:
– низкий уровень: <500 г;
– столкновение: <2000 г;
– дальняя зона: 500…1000 г, датчик на расстоянии 2 м от точки удара;
– ближняя зона: >5000 г, датчик на расстоянии менее 1 м от точки удара.
Для измерения малых ударных ускорений можно использовать акселерометры общего применения. Акселерометр должен иметь линейный диапазон до 500 г и максимально допустимую ударопрочность 500 г. Обычно для этого используются датчики с выходным сигналом по напряжению, т.к. они менее чувствительны к вибрациям кабеля. Для ослабления резонанса рекомендуется использовать усилитель с фильтром нижних частот.
Для тестовых испытаний автотранспорта на безопасность обычно используются ПРА. Для измерения ударов в дальней зоне применяются специализированные акселерометры со встроенным фильтром и сдвиговой модой. Как правило, к ним относятся IEPE-датчики малого веса с паяными соединениями. Электронный фильтр уменьшает собственную резонансную частоту акселерометра, предотвращая перегрузку оборудования.
Рабочий диапазон акселерометров для измерения в ближней зоне может достигать свыше 20000 г. В этом случае используются как ПЭА, так и ПРА, т.к. выбор зависит от специфики проводимого теста. Как правило, применяются IEPE-устройства со встроенным механическим фильтром и параметрами, схожими с параметрами акселерометров дальней зоны.
Как и при измерении вибрации, частотная характеристика является важнейшим параметром датчиков ударного ускорения, которые должны работать в широком диапазоне частот (около 10 кГц).

Емкостные акселерометры служат для измерения малых низкочастотных колебаний, выдавая достаточно большой выходной сигнал. Эти устройства обеспечивают высокую стабильность в широком диапазоне рабочих температур.
При положении емкостного акселерометра, в котором его ось чувствительности параллельна направлению вектора гравитации, выходной сигнал равен усилию в 1 г. Это явление носит название «DC-отклик». Благодаря такой особенности емкостные акселерометры часто используются для измерения центробежной силы или ускорения грузоподъемников.
Емкостные акселерометры применяются для измерения НЧ-вибраций, сообщая данные о фазе. Кроме того, эти датчики с успехом используются для измерения детонаций в автотранспорте и железнодорожной технике благодаря хорошим НЧ-характеристикам.

После выбора акселерометра и вида тестирования следует учесть ряд других факторов. В первую очередь, необходимо обратить внимание на те условия окружающей среды, в которых этот датчик станет использоваться — на рабочую температуру, максимальные значения ускорения и влажность. В таблице 1 приведены стандартные значения рабочей температуры разных типов акселерометров.
Диапазон измерений акселерометра указывается в спецификации дважды, что может запутать пользователя. Действительный диапазон указывается в динамических характеристиках. Например, IEPE-датчик может функционировать в диапазоне до 500g, но при определенных условиях эксплуатации — до 2000g. 500g — максимальный диапазон линейного рабочего режима датчика. Параметры в разделе «Условия эксплуатации» указаны для максимально допустимой величины удара или ускорения.

В динамических характеристиках пьезоэлектрических акселерометров зарядового типа не указан рабочий диапазон, т.к. он во многом зависит от усилителя заряда. В разделе динамических параметров указана линейность амплитудной характеристики. Как и в предыдущем случае, максимальный диапазон измерений в определенных условиях эксплуатации характеризует предельную нагрузочную способность акселерометра.
Для работы датчиков в условиях влажной среды применяются разные типы корпусов, обеспечивающих герметичность устройств. Если акселерометры используются в космических аппаратах, под водой или подвергаются длительному воздействию избыточно влажной среды, рекомендуется герметичная заделка корпуса. Однако непрерывное изменение температурных условий может нарушить эпоксидную изоляцию корпуса датчика.
Поскольку современные технологии производства акселерометров используют немагнитные материалы, магнитная чувствительность редко указывается в спецификации на компоненты.
Если датчик предназначен для работы на гибкой поверхности, необходимо установить параметры изгиба его основания. Изгиб поверхности может привести к ошибочному срабатыванию датчика, поэтому в таких случаях следует избегать применения компрессионных акселерометров.

При контакте акселерометра с объектом измеряемое ускорение изменяется. Влияние этого эффекта можно отчасти избежать, если оптимизировать вес датчика. В соответствии с эмпирическим правилом следует стремиться к тому, чтобы вес акселерометра превышал вес объекта испытаний не более чем на 10%.

Существует ряд методов установки акселерометра на испытываемое устройство. Перечислим некоторые из наиболее распространенных.
Винтовое крепление датчика к поверхности объекта обеспечивает наилучшую возможность передачи данных на высоких частотах, т.к. акселерометр образует единое целое с испытываемым устройством. Характеристику датчика в области высоких частот можно улучшить, капнув немного масла между ним и объектом. При выборе такого метода следует приобретать датчик с возможностью крепления к поверхности.
Клеевой монтаж датчика часто выполняется на поверхностях с небольшой площадью и на печатных платах. В качестве адгезива предпочтительно использовать цианакриловый клей, поскольку его в случае необходимости легко удалить. Многие акселерометры специально предназначены для клеевого монтажа, что указывается в технических данных. Датчик с винтовым креплением также можно установить на поверхность контролируемого объекта с помощью клея, однако следует позаботиться о том, чтобы клей не попал в резьбовые отверстия.

Вопрос о заземлении приобретает большое значение в тех случаях, когда поверхность измеряемого объекта является проводящей и имеет нулевой потенциал. Разность в значениях напряжения земли между электронным оборудованием и акселерометром может привести к образованию заземляющего контура и появлению данных с ошибками.
Предлагаемые на рынке акселерометры имеют развязку по земляной цепи или заземленный корпус. У акселерометров с земляной развязкой, как правило, имеется изолированное монтажное основание и, если это возможно, — изолированный крепежный винт. В некоторых случаях весь корпус акселерометра имеет развязку по земляной цепи.

В случае если в определенном приложении требуются акселерометры с малым выходным сигналом или широким динамическим диапазоном, такие параметры как разрешение и чувствительность становятся решающими.
Акселерометр преобразует механическую энергию в электрический сигнал, который выражается в единицах мВ/г или в пКл/г (для датчиков с зарядовым выходом). Линейка акселерометров представлена несколькими моделями с различной чувствительностью, оптимальное значение которой зависит от уровня измеряемого сигнала. Например, при измерении сильных ударных колебаний применяются датчики с низкой чувствительностью.
При измерении малых сигналов лучшим решением является использование акселерометра с высокой чувствительностью, выходной сигнал которого выше уровня шума усилителя. Например, если уровень вибрации составляет 0,1g, а чувствительность датчика — 10 мВ/g, выходное напряжение равно 1 мВ, и потребуется акселерометр с более высокой чувствительностью.
Разрешение характеризует минимально различимый сигнал акселерометра. Этот параметр определяется уровнем собственных шумов акселерометра, а в случае IEPE-акселерометра — и уровнем собственных шумов встроенного преобразователя сигнала — и выражается в g_rms.

Приведенные выше сведения позволяют принять предварительное решение относительно того, какие акселерометры способны выполнить ту или иную задачу по измерению. Однако существуют и другие не менее важные параметры, которые следует обсудить с поставщиками. К числу этих параметров относятся следующие:
– формирование сигнала и электропитание;
– относительная поперечная чувствительность;
– температурная характеристика;
– тип кабеля.
Дальнейшие вопросы, выходящие за рамки этой статьи, следует обсудить с производителем.