В основе принципа действия любого акселерометра лежит свойство тел сохранять свое положение неизменным при ускоренном движении основания, на котором они каким-то образом закреплены.
Маятниковые акселерометры с электрической пружиной (рисунок 6) используются в системах стабилизации центра масс РН в позиционном и интегрирующем вариантах. Известно достаточно большое разнообразие конструктивных схем маятниковых акселерометров. Однако общим для них признаком является наличие механической системы, связанной с маятником, и электрической или фотооптической (а также электростатической, емкостной) системы съема полезной информации.
Компенсационный метод измерения, положенный в основу большинства маятниковых акселерометров, в принципе, обеспечивает высокую точность измерения. Реализация этого метода в акселерометрах осуществляется с помощью компенсирующих силовых или моментных устройств, основанных на различных физических принципах - механических, электромагнитных, электростатических.
Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитоэлектрические преобразователи, в которых компенсирующие момент или сила создаются за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого током обратной связи, который протекает по обмотке преобразователя, с полем постоянного магнита. Подобные преобразователи обеспечивают получение необходимых моментов (сил) при малых габаритах и имеют приемлемую на данном этапе стабильность параметров.
Принцип действия маятникового акселерометра при разомкнутом ключе (интегрирующий вариант) заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения W z , направленного по оси OZ, подвижная рамка с маятником, стремящимся сохранить свое положение неизменным, начнет разворачиваться относительно неподвижной рамки. В результате относительного вращения рамок магнитный поток подвижной рамки, пересекая витки обмотки неподвижной рамки, вызовет в ней электродвижущую силу. Напряжение, снимаемое с обмотки неподвижной рамки, после усиления в усилителе поступает через конденсатор и гибкие токопроводы на обмотку подвижной рамки и вызовет в ней ток обратной связи i ос. Этот ток, в свою очередь, вызовет магнитный поток подвижной рамки. Взаимодействие магнитного потока постоянного магнита с осредненным значением магнитного потока от тока обратной связи явится причиной возникновения механического момента обратной связи M ос, направленного против момента инерционных сил M и.
Если допустить, что кажущееся ускорение W z постоянно, то в установившемся режиме наступит равенство между указанными моментами, т.е. M ос =M и, а мерой измеряемого ускорения может служить сила тока i ос в цепи обратной связи маятникового акселерометра, протекающего по обмотке подвижной рамки.
При разомкнутом ключе и полной идеализации всех звеньев цепи обратной связи можно считать, что
(1.1)
Так как М и =mlW x , то при М ос =М и получим
или после интегрирования при нулевых начальных условиях
(1.3)
Очевидно, что интеграл от кажущегося ускорения равен кажущейся скорости, т.е.
(1.4)
где t к – интервал интегрирования, поэтому
При замкнутом ключе и тех же исходных данных
Таким образом, один и тот же маятниковый акселерометр может быть при гибкой обратной связи интегрирующим, а при жесткой – позиционным. Это обстоятельство широко используется при начальной выставке систем управления летательных аппаратов и при управлении их движением в полете. Так, при разомкнутом ключе повышается точность начальной выставки комплекса командных приборов, поскольку при гибкой обратной связи исключаются статистические погрешности маятникового акселерометра с электрической пружиной, как простейшего контура системы автоматического регулирования.
В акселерометрах компенсационного типа для получения информации о величине ускорения используется датчик угла (ДУ). Наибольшее распространение как в навигационных, так и в промышленных образцах акселерометров получили фотодатчики (ФД) и датчики емкостного типа (ЕД).
Использование ФД позволяет для усиления полезного сигнала использовать относительно несложные электронные схемы. В типичном акселерометре компенсационного типа применен такой ДУ.
Основными элементами этого измерительного устройства являются:
Светодиод SD;
Два фотодиода VD1 и VD2;
Шторка, жестко закрепленная с маятником, и расположенная между свето- и фотодиодами;
Предварительный усилитель аналогового (линейного) сигнала DA, охваченный сопротивлением обратной связи Roc;
Сопротивление, преобразующее напряжение в ток обратной связи RI;
Обмотка датчика момента (ДМ) L.
Принцип действия данного маятникового акселерометра в аналоговом (штатном) режиме заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения А вх, направленного вдоль оси чувствительности, маятник и жестко связанная с ним шторка, стремящаяся сохранить положение неизменным, начнет разворачиваться относительно корпуса акселерометра. В результате относительного вращения один из светодиодов будет засвечиваться больше, чем другой. Вследствие чего возникнет разность потенциалов на выходе ДУ. Это напряжение будет подано на вход предусилителя и после усиления в виде тока обратной связи поступит в обмотку ДМ. ДМ сформирует компенсирующий момент, который возвратит маятник в исходное состояние. Таким образом, по величине тока обратной связи можно будет судить о значении кажущегося ускорения.
В момент начала движения маятника акселерометра на него действует сила трения покоя, которая вводит погрешность в измерения (порог чувствительности).
Датчиками первичной инерциальной информации являются измерители ускорений - акселерометры, основанные законах классической механики Ньютона.
Простейший осевой акселерометр (рис. 15.5) состоит из инерционной массы m, с помощью пружины прикрепленной к основанию. При движении основания в направлении оси X, называемой осью чувствительности акселерометра, с ускорением а к к массе m будет приложена сила инерции F = m а к, в результате чего масса станет перемещаться относительно шкалы в направлении, противоположном вектору ускорения. Со стороны пружины на массу будет действовать обратная по знаку силе F сила
Fпр = Кпр * ΔX,
Рис.15.5. Принцип работы акселерометра
Рис. 15.7.К определению методических погрешностей акселерометра
где К П р - коэффициент жесткости пружины;
ΔХ - линейная величина перемещения массы.
По окончании переходного процесса сила F пр уравновесит силу F, при этом величина ΔХ оказывается пропорциональной измеряемому ускорению:
С помощью потенциометра значение ΔХ может быть преобразовано в электрический сигнал, пропорциональный а к.
Акселерометры измеряют только ускорения, обусловленные действием негравитационных сил, и не измеряют ускорений, вызванных гравитацией. Действительно, если основание, на котором установлен акселерометр, движется к земле с ускорением силы тяжести g (полагаем, что а к = 0), то, поскольку сила тяжести одинаково действует и на основание, и на массу m акселерометра, перемещения массы относительно нулевой отметки шкалы не будет.
Если а к - ускорение, создаваемое разностью сил тяги и лобового сопротивления, то полное абсолютное ускорение основания будет, а = а к - (-g). Знак " - " перед g учитывает отрицательное направление вектора g по оси X. Акселерометр же измерит только ускорение а к, то есть будет иметь место методическая погрешность в измерении полного абсолютного ускорения, равная ускорению силы тяжести. Поэтому в общем случае использование инерциальных систем возможно только в известном поле гравитации. Ускорение а к, измеряемое акселерометром, часто называют "кажущимся", при этом:
В случае горизонтального полета (на постоянной высоте) подъемная сила ЛА уравновешивает силу тяжести. За счет подъемной силы Y в вертикальном направлении создается ускорение а к у. В горизонтальном полете вертикальной составляющей ускорения нет, поэтому, а = а к у + g = 0, откуда а к у = -g, т.е. в этом случае акселерометр с вертикальной осью чувствительности будет измерять ускорение, создаваемое подъемной силой, численно равное, но противоположное по знаку ускорению силы тяжести. Именно в этом смысле следует понимать встречающееся утверждение, что "акселерометр реагирует на ускорение силы тяжести".
Кроме осевых акселерометров в инерциальных системах применяются маятниковые акселерометры, причем у тех и у других для повышения точности работы и диапазона измерений, ограниченных гистерезисом пружины, вместо механической пружины используется электрическая пружина.
Маятниковый
акселерометр с электрической пружиной
(рис. 15.6) работает следующим образом.
При движении ЛА в направлении оси X
чувствительности прибора с ускорением
а к
к массе маятника m,
укрепленной на плече 1, будет приложена
сила инерции F,
создающая относительно оси Z
момент силы инерции М = m
l
а к,
в результате чего маятник станет
поворачиваться вокруг оси Z.
Угол
поворота маятника с помощью датчика
угла ДУ (потенциометрического,
индукционного или другого типа)
преобразуется в напряжениеU β
= К ду
* β
(К ду
- крутизна характеристики датчика угла),
которое после усиления в усилителе до
величины U y
= K y *
U β >
(K y
- коэффициент усиления усилителя)
подается на датчик момента ДМ. Последний
прикладывает к оси Z
подвеса маятника момент обратной
связи
где К дм - крутизна характеристики датчика момента;
К эп = К ду * К у * К дм - коэффициент передачи электрической пружины, таким образом, элементами электрической пружины являются датчик угла, усилитель и датчик момента.
В установившемся режиме момент обратной связи уравновесит момент ил инерции, так что угол поворота маятника и напряжение на выходе усилителя оказываются пропорциональны ускорению:
и
При повороте маятника вместе с ним на угол в повернется и ось чувствительности. При этом акселерометр будет измерять не все ускорение а к, а его составляющую а К, = a K cos β.
Кроме того,
акселерометр станет реагировать и на
поперечные ускорения, направленные
вдоль оси Y.
Это обстоятельство приводит к
методической погрешности, уменьшение
которой возможно за счет уменьшения
угла
,
что достигается увеличением коэффициента
усиления усилителя.
Рассмотренные акселерометры имеют отрицательную обратную связь, обусловленную наличием пружины (механической или электрической). Поэтому такие приборы называют компенсационными .
Ввиду того, что опору с меньшим трением легче изготовить в случае вращательного движения массы m, чем в случае ее поступательного движения, то в инерциальных системах навигации наибольшее применение нашли маятниковые акселерометры.
Пороговая чувствительность современных акселерометров с электрической пружиной составляет порядка 10 -4 - 10 -5 g.
Акселерометры имеют также методические погрешности, обусловленные собственным вращением Земли и перемещением ЛА относительно Земли. Эти погрешности удобно анализировать по уравнениям акселерометров в 1-й или 2-й форме.
Первая форма связывает измеряемые ускорения с абсолютными линейными скоростями ЛА, абсолютными угловыми скоростями вращения ГСП в инерциальной системе отсчета и составляющими удельной гравитационной
силы
Вторая форма измеряемые ускорения связывает с составляющими путевой скорости, относительными угловыми скоростями вращения ГСП и составляющими удельной силы тяжести g T .
Более просто выводятся и выглядят уравнения акселерометров в первой форме. Выше было показано, что акселерометр измеряет не абсолютное, а кажущееся ускорение:
Приведенные зависимости записаны в общем виде, в инерциальной же системе отсчета
Определим вначале значение абсолютного ускорения. В соответствии с теоремой о производной от вектора во вращающейся системе координат:
Далее разложим
по осям с учетом правила для произведения
двух векторов:
Теперь, помня,
что для инерциальной системы координат(
-
вектор удельной гравитационной силы),
определим окончательно составляющие
абсолютной скорости, значения которых
и есть уравнения
акселерометра в 1-й форме
:
где V x (t o), V y (t o), V z (t o) - начальные значения абсолютной скорости;
g ox , g oy , g oz - составляющие вектора удельной гравитационной силы;
a K X , a K y , а К z - сигналы акселерометров. Из уравнений видно, что для определения скорости (а в последующем и линейных координат) интегрирования одних только сигналов акселерометров недостаточно, необходимо учитывать остальные члены в подынтегральном выражении. Эти члены носят название компенсационных , и неучет их приводит к появлению основных методических погрешностей акселерометров. Компенсационные члены имеют первый или второй порядок малости и не учитываются только в ИКВ-системах. Такое упрощение объясняется следующими рассуждениями:
1)м/с 2 - второй порядок малости;
4) Vz и в особенности вертикальная координата z в ИКВ-системах не вычисляются вследствие вычислительной неустойчивости вертикального канала; в остальных ИНС также из-за вычислительной неустойчивости канала вычисляется только значение Vz.
Полные уравнения акселерометров во 2-й форме имеют вид:
Таким образом, для ИКВ-систем алгоритм вычисления скоростей выглядит так:
где: W - путевые скорости;
Угловые скорости вращения ГСП относительно Земли;
Угловые скорости вращения Земли;
Составляющие удельной силы тяжести.
В ИНС используется как 1-я, так и 2-я Формыуравнений.
Основой любой ИНС является ИКВ. Все ИКВ- это фактически ГСП, удерживаемые в заданном положении специальными гиростабилизаторами.
В компенсационных акселерометрах с позиционной обратной связью механическая пружина заменена «электрической пружиной». Под последней понимается электромеханическое устройство, которое создает момент, компенсирующий инерционный момент, возникающий под влиянием измеряемого ускорения.
Рис. VI 1.23. Компенсационный акселерометр маятникового типа
Рис. VI 1.24. Поплавковый вариант компенсационного акселерометра маятникового типа: 1 - индуктивный преобразователь перемещения; 2 - жидкость; 3 - поплавок; 4 - моментный датчик; 5 - усилитель
На рис. VI 1.23 приведена одна из схем компенсационного акселерометра маятникового типа. Отклонение маятника 1 под действием ускорения преобразуется индуктивным датчиком 4 в электрический сигнал, который после усиления подается на обмотку моментного датчика 2. Последний создает компенсирующий момент. Электрический ток на выходе фазочувствительного усилителя 3 и падение напряжения ивих (создаваемое этим током на добавочном сопротивлении) пропорциональны измеряемому ускорению х. Для демпфирования колебаний маятника усилитель содержит корректирующее звено.
На рис. VI 1.24 приведена схема варианта поплавкового компенсационного акселерометра. Подъемная сила поплавка близка к весу всей подвижной части прибора. Центр тяжести поплавка смещен относительно оси поплавка на величину что и обеспечивает необходимую маятниковость. Поплавковые приборы имеют высокую чувствительность вследствие малых погрешностей от сил трения.
Схема компенсационного акселерометра с массой на упругом подвесе, емкостным датчиком сигналов и электромеханическим датчиком, создающим компенсирующую силу, изображена на рис. VI 1.25. Эта схема позволяет ослабить влияние гистерезиса упругого подвеса и нелинейности его характеристики при условии, что жесткость «электрической пружины» намного превышает жесткость упругого подвеса.
Рис. VII.25. Компенсационный акселерометр с упругим подвесом: 1 - емкостный преобразователь перемещения, 2 - инерционная масса; 3 - упругий подвес, 4 - обмотка датчика силы, 5 - усилитель
Рис. VII.26. Схема интегрирующего акселерометра
В силовом датчике, применяемом в схеме «электрической пружины», развиваемая сила должна быть пропорциональна току, протекающему в его обмотке.
Интегрирующие акселерометры. Путевую скорость полета можно определять путем непрерывного интегрирования горизонтальных ускорений, начиная с момента взлета. Для определения пройденного пути полученную величину нужно проинтегрировать еще раз. Интегрирование может быть выполнено двумя способами с помощью:
отдельного электрического или электромеханического интегратора, на вход которого подается сигнал акселерометра, пропорциональный ускорению;
механического или электромеханического интегрирующего устройства, совмещенного с чувствительным элементом акселерометра.
Рассмотрим последний способ подробнее.
На рис. VI 1.26 приведена одна из возможных схем интегрирующего акселерометра. Под влиянием ускорения направленного перпендикулярно плоскости чертежа, маятник 6 отклонится, а в индуктивном датчике 5 возникает сигнал. Этот сигнал, усиленный усилителем заставит вращаться электродвигатель 3. На его оси укреплен постоянный магнит 2, который при вращении вызывает в токопроводящем колпачке 1 вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с полем магнита создает вращающий момент прикладываемый к оси маятника. Вращающий момент пропорционален скорости вращения магнита а:
Но момент уравновешивает инерционный момент акселерометра , следовательно, в установившемся процессе
а угол поворота магнита будет пропорционален интегралу по времени от измеряемого ускорения:
где - длина маятника; - масса маятника; х - измеряемое ускорение.
Рис. VII.27. Схема акселерометра с двойным интегрированием ускорений
Угол а (уменьшаемый с помощью зубчатого редуктора) является выходной координатой интегрирующего акселерометра. Принципиальная схема акселерометра с двойным интегрированием ускорений изображена на рис. VI 1.27. Чувствительным элементом акселерометра является маятник 5, на оси которого укреплен статор 2 электродвигателя.
Внутри статора может свободно вращаться ротор 1. Отклонение маятника от нулевого положения вызывает сигнал в индуктивном датчике 4, подаваемый на усилитель выхода усилителя - на статор электродвигателя. Вращающий момент развиваемый электродвигателем, вызывает вращение ротора с ускорением
где - момент инерции ротора.
Реактивный момент, приложенный со стороны ротора к статору, также равен и направлен навстречу инерционному моменту, развиваемому маятником 5 под влиянием ускорения X
В положении равновесия моменты и (приложенные к оси маятника) взаимно компенсируются. Приравнивая Мер найдем
Угол а (уменьшаемый с помощью зубчатого редуктора) является выходной величиной акселерометра с двойным интегрированием. Погрешность прибора обусловлена главным образом силами трения в подвесе маятника и накапливается пропорционально квадрату времени его работы. Эту погрешность можно снизить уменьшением сил трения и увеличением момента инерции ротора электродвигателя.
Для интегрирования ускорений можно использовать струнный акселерометр. Он представляет собой вибрирующее устройство, состоящее из струны, собственная частота которой меняется в зависимости от ее натяжения, создаваемого инерционной массой под воздействием измеряемого ускорения. Изменение собственной частоты пропорционально корню квадратному из силы натяжения струны, т. е.
где К - коэффициент, зависящий от размеров струны и величины инерционной массы.
Если инерционную массу подвесить между двумя струнами, имеющими начальное натяжение то при наличии ускорения направленного вдоль струн, натяжение одной струны будет увеличиваться на величину а другой - соответственно уменьшится.
При этом собственные частоты колебаний струн
Совместное решение этих уравнений дает
Если в измерительном устройстве поддерживается постоянной сумма частот то разность частот пропорциональна измеряемому ускорению х.
Рис. VII.28. Структурная схема компенсационного акселерометра маятникового типа
При этом интеграл разности частот собственных колебаний двухструнного акселерометра за определенный промежуток времени пропорционален интегралу от ускорения, т. е. приращению скорости за тот же промежуток времени. Для интегрирования сигналов струнного акселерометра можно применить интеграторы цифрового типа или счетчики импульсов, обладающие высокой степенью точности. Методы интегрирования ускорений с помощью гироскопических интегрирующих акселерометров с гиромаятниками приведены в гл. VIII, § 6.
Определение передаточных функций компенсационных акселерометров. Передаточная функция компенсационного акселерометра маятникового типа (рис. VI 1.28) определяется с помощью структурной схемы, показанной на рис. VII.28:
где и - масса и плечо маятника;
Момент инерции подвижной системы;
Передаточные коэффициенты индуктивного датчика, моментного датчика и усилителя;
R - выходное электрическое сопротивление;
Передаточная функция корректирующего звена.
Выражение (VI 1.31) преобразуется к виду
Акселерометром называется прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения*. Как правило, акселерометр – это закрепленная в упругом подвесе чувствительная масса. В случае наличия кажущегося ускорения по отклонению данной массы от своего первоначального положения и судят о величине этого ускорения.
* Кажущееся ускорение представляет собой разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением.
Конструктивное исполнение
Акселерометры бывают одно-, двух- и трехкомпонентные. Из названия, они соответственно измеряют кажущееся ускорение вдоль одной, двух и трех осей (X, Y, Z).
Невесомость
Истинное ускорение объекта в условиях невесомости вызывает лишь гравитационная сила, а потому истинное и гравитационное ускорения равны. Как следствие, отсутствует кажущееся ускорение и данные любого акселерометра равны 0 (нулю). Прекращают функционировать все системы, которые в качестве датчика наклона используют акселерометр. Пример: положение изображения на планшете или смартфоне не будет изменяться, когда вы будете поворачивать корпус.
Схема простейшего акселерометра
Итак,
простейший акселерометр состоит из пружины с закрепленным на ней грузом и
демпфера, который колебания данного груза и подавляет. Чем кажущееся ускорение
больше, тем пружина деформируется сильнее, и показания прибора изменяются.
Когда происходит равновесие силы инерции груза и силы пружины, регистрируется величина смещения данного груза от нейтрального положения, которая свидетельствует о величине ускорения (замедления). Эта величина каким-либо датчиком перемещения регистрируется и на выходе устройства преобразуется в электрический сигнал.
Технологии построения современных акселерометров
В зависимости от технологии построения различают следующие акселерометры:
пьезоэлектрические;
пьезорезистивные;
на переменных конденсаторах.
Пьезоэлектрические акселерометры широко используются в задачах тестирования и измерений. Они отличаются очень широким диапазоном частот и диапазоном чувствительности. Кроме того, могут иметь различные размеры и формы. Выходной сигнал таких акселерометров может быть зарядовым либо по напряжению. С помощью датчиков можно измерять как удар, так и вибрацию.
Пьезорезистивные акселерометры обычно характеризуются малым диапазоном чувствительности, вследствие чего наиболее они применимы для детектирования ударов, нежели для определения вибрации. Кроме того, их используют в испытаниях на безопасность при столкновении. Данные акселерометры имеют в основном широкий диапазон частот, а частотная характеристика может доходить до 0 Гц (так называемые DC-датчики) либо оставаться неизменной. Это дает возможность измерения длительных сигналов.
Акселерометры на переменных конденсаторах , как и пьезорезистивные, имеют DC-ответ. Такие акселерометры имеют высокую чувствительность, узкую полосу пропускания, отличную температурную стабильность, малую погрешность. С помощью данных акселерометров измеряют низкочастотную вибрацию, движение и фиксированное ускорение.Общие сведения
Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена–качество».
Рис. 1. Диаграмма «цена–качество» для различных типов акселерометров
Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.
Таблица 1. Сравнительные характеристики акселерометров
Пленочные пьезоэлектрические акселерометры
Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения - схемы управления надувными подушками безопасности.
Объемные интегральные акселерометры
Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor , предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом (рис. 2). Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края (точки f на рис. 2). Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.
Рис. 2. Интегральный акселерометр объемной конструкции
Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.
Рис. 3. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения
Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, - не менее 10 кГц.
Рис. 4. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50
Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию . На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом - схема обработки сигнала.
Поверхностные интегральные акселерометры
Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г.
Весь кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1ґ1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.
На рис. 3 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение. Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения
уравновешивается силой упругости пружины
где m - масса, a - ускорение, k - жесткость пружины, x - перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m - конструктивный параметр датчика.
Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости, и, следовательно, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик.
 |
 |
Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически соединен параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X-Y и X-Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются.
Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z (рис. 4). Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на внешний вывод ИМС.
 |
 |
Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.
В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности.
Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.
Рис. 8. Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA
В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.
Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В таком случае его следует включать по логометрической схеме, как это показано на рис. 5. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного. Следует заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП должен быть буферный усилитель, так как выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.
В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответтвенно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g .
Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) - определение угла наклона относительно горизонта. Это можно использовать в охранных системах автомобилей, для определения местоположения бура при бурении наклонных скважин и др.
Рис. 9. График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины
Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона представлены на рис. 6.
Рис. 7, а показывает упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (АЦП не нужен!). Сигнал на выходе каждого канала датчика имеет форму, показанную на рис. 7, б, причем ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:
Обратите внимание, что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не нужно измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET. Недостатком акселерометров с ШИМ-выходом является необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высокой разрешающей способности при широкой полосе пропускания.
Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем .
- Масса инерционного грузика - 0,1 мкг.
- Емкость каждой части дифференциального конденсатора - 0,1 пФ.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости - 20 aФ (10–18 Ф).
- Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы - 0,01 пФ.
- Расстояние между обкладками конденсатора - 1,3 мкм.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора - 0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома!).
Акселерометры семейства XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП-схемы нормализации сигнала, выполненных в отличие от ранних моделей , на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает большую часть кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния посредством поверхностной микрообработки и состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена пластина, закрепленная на упругом подвесе и способная перемещаться под действием инерционных сил (рис. 8). Когда центральная пластина отклоняется от среднего положения в результате ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластин увеличится на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины уменьшится. Изменение расстояний характеризует ускорение. Ось чувствительности к ускорению направлена перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), поэтому датчики, изготавливаемые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики также и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.
Рис. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G
Пластины G-ячейки формируют два противовключенных конденсатора. При движении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластин, подвижная пластина отклонится в направлении, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинами. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой
где S - площадь пластин, e - диэлектрическая постоянная и x - расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость нелинейна. На рис. 9 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1–С2) от перемещения подвижной пластины. Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000). Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд - усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 10 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него - на схему температурной компенсации.
Акселерометры компании Motorola также могут быть использованы в логометрическом включении.
Точность интегральных акселерометров
Статическая точность
Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами так же, как и точность датчиков другого типа, определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с использованием силы тяжести.
 |
 |
Использование вибростенда имеет следующие преимущества:
- возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;
- возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;
и недостатки:
- требуется дорогостоящий вибростенд;
- проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.
Преимущества применения силы тяжести для калибровки:
- не требуется дорогостоящее оборудование;
- метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;
- можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;
- нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.
и недостатки:
Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности также может быть скомпенсирован. Для этой цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры.
Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками (см. рис. 9). При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V (см. рис. 8). В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит
Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами нелинейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет. Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:
По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) имеет типичную погрешность линейности 1 % от полной шкалы против 0,5 % у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:
(3)
где - круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = -V2, а
из (3) получим
Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2 %.
В в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по использованию интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, проведенные авторами этой статьи, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, может достигать совершенно недопустимых значений. По нашему мнению, этот гистерезис вызван тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, может быть неупругой и при уменьшении ускорения инерционная масса либо очень медленно возвращается в исходное состояние (вязкая неупругость), либо не возвращается совсем. На рис. 11 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) от времени акселерометра ADXL150, закрепленного на одном из концов стального стержня длиной 1,5 м, который перемещается с большими ускорениями на расстояние 0,5 м. Вследствие упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно большой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости является результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0–0,9 с) скорость датчика равна нулю. На графике скорости (рис. 11, б), точки которого рассчитаны по данным акселерометра, погрешность конечного значения скорости составила примерно 1,25 м/с при максимальной скорости 3,5 м/с.
 |
 |
На рис. 12 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) того же датчика при близких параметрах движения, но закрепленного на более жесткой конструкции. Движение сопровождалось значительно меньшей продольной вибрацией. Как видно, погрешность определения скорости уменьшилась во много раз.
Поперечная чувствительность
Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.
Шум акселерометров
Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений. Предельное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика приводит к снижению уровня шума. Это улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA - 4-го порядка, ADXL190 - 2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 имеют выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.
Пример. Микросхема ADXL150 имеет типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10–1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, - в пределах 30 мg. Поскольку полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Это неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ .
Основной динамической характеристикой акселерометров является полоса пропускания по уровню –3 дБ. В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых типов интегральных датчиков ускорения.
Литература
- Гудинаф Ф. Интегральный акселерометр на 50 G с самоконтролем, реализованным на нагреваемом возбудителе // Электроника. 1993. № 7–8. С. 54–57.
- Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микроструктур // Электроника. 1993. № 11–12. С. 86–87.
- Гудинаф Ф. Интегральный датчик ускорения для автомобильных надувных подушек безопасности // Электроника. 1991. № 16. С. 7–14.
- Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.
- Серридж М., Лихт Т. Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. «Брюль и Къер». 1987.
