3.4 Акселерометри
Для вимірювання кутів повороту та кількості оборотів все частіше стали використовувати оптоелектронніенкодери.За принципом дії прийнято розрізняти так звані"абсолютні" і"інкрементні" енкодери.
Абсолютні енкодеривидають на свій вихід цифрові коди, які відповідають абсолютному значенню кута повороту щодо положення,прийнятого за нуль.
Уінкрементних енкодерахлічильний диск має, як правило, лише одну доріжку, на якій прозорі та непрозорі ділянки чергуються
На виході сенсора буде формуватися послідовність імпульсів з періодом, обернено пропорційним швидкості обертання диска.
3.4 Акселерометри
Сенсори, які реагують на прискорення та вимірюють його, називаютьакселерометрами.Розрізняють сенсори лінійного та кутового прискорення.
Лінійні акселерометри
Акселерометр,який вимірюєлінійне прискорення, тобто. прискорення поступального руху тіла складається з інертної масиМ, пружного елементаУі демпфераД(рис. 3.2). Конструкція акселерометра повинна бути такою, щоб інертна масаМмогла переміщатися лише вздовж однієї прямої, яку називаютьвіссюакселерометра.У контрольованому об'єкті, що рухається з прискоренням а в напрямку осі акселерометра, на масуМдіє сила інерції, яка згідно з другим законом Ньютона дорівнюєМа. Під дією цієї сили інертна масаМпочинає рухатися, деформуючи пружний елементУ, який протидіє руху. Щоб у цій механічній системі не виникали тривалі коливання, використовується демпферД, який також чинить опірруху інертної масиМз силою, пропорційною швидкості її руху, і перетворює енергію коливального руху на тепло.
Мал. 3.2.Принципова механічна схема акселерометра
Рух інертної масиМописується диференціальним рівнянням 2-го порядку (формула 3.4):
де - відхилення інертної масиМвід положення рівноваги; - Коефіцієнт загасання, обумовлений демпфуванням; - Коефіцієнт жорсткості пружного елемента; - поточне прискорення об'єкта, на якому встановленоакселерометр.
Демпфер зазвичай регулюють так, щоб коефіцієнт загасання досяг критичного значення. У цьому випадку час реакціїакселерометрана зміну прискорення виявляється найменшим, і навіть при стрибкоподібному зміні прискорення коливання навколо нового положення рівноваги не виникають. Щоб визначити прискорення, досить виміряти відхилення від положення рівноваги чи силу, що діє пружний елемент.
Таким чином, інертна масаМзабезпечує перетворення первинного інформаційного сигналу у вигляді лінійного прискорення в механічне переміщення або через деформацію пружного елемента. Пружний елемент забезпечує лінійність або принаймні взаємну однозначність перетворення. А демпфер запобігає виникненню тривалих коливальних процесів. Виходить, що вони є необхідними складовими елементамиакселерометра.
Ємнісний акселерометр
На рис. 3.3 показана конструкціяємнісногоакселерометра,виготовленого з використанням МСТ. У кристалі кремнію 1 витравлено ділянки 2 так, що значна інертна маса 3 механічно відокремлена від інших частин акселерометра. Вона з'єднана з ними лише тонкими перемичками4, які грають роль пружних елементів. На невеликій відстані (
10 мкм) від кристала кремнію зверху та знизу розташовані металеві електроди 5 і 6. Роль демпфера грає в'язка непровідна рідина, якою заповнюється простір між електродами та кремнієм.
Мал. 3.3.Конструкція ємнісного акселерометра
Інертна маса 3 такої конструкції може переміщатися тільки по вертикалі. Електричні ємності між нею та верхнім (нижнім) електродами включені в протилежні плечі електричної мостової схеми змінного струму. Її балансують так, щоб за відсутності прискорення сигнал на виході дорівнював нулю. Коли об'єкт, на якому встановленоакселерометр, рухається з прискоренням, спрямованим уздовж осі сенсора, інертна маса 3 зміщується з положення рівноваги, внаслідок чого одна з ємностей зростає, а інша зменшується. Через порушення балансу на виході бруківки схеми з'являється напруга відповідного знака і тим більше, чим більше прискорення. Мостову електричну схему, необхідні електронні ключі, підсилювачі, елементи термокомпенсації - все, що потрібно для обробки сигналів і калібруванняакселерометра, - формують нині методами МСТ (мікросистемної технології) на тому ж кристалі кремнію.
В описаній конструкції акселерометра прискорення, яке і є тут первинним інформаційним сигналом, спочатку перетворюється на лінійне переміщення інертної маси. Переміщення, у свою чергу, перетворюється на зміну ємності верхнього та нижнього конденсаторів, а останнє – на електричний сигнал.