Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для вклю­чения системы пассивной защиты автомо­биля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля по­перечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Что измеряют датчики ускорения

 

Все датчики ускорения измеряют силы, воз­действующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

F=m·a 

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и ме­ханического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых уско­рений. Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эк­вивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким тем­пературам). Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемеще­ния того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

 

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

 

 

Все датчики ускорения крепятся через пру­жины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Иными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в ста­тическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

F = m·a = c·x

где с — постоянная пружины.

Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:

S = x/a = m/c

Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или по­стоянной пружины) дают высокую чувстви­тельность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и ди­намического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:

F =т·а = сх+рх′+ т»

Эти компоненты пропорциональны логиче­ским выводам в отношении времени пере­мещения х (р — коэффициент трения). По­лучающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно ма­лым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:

ω₀ = √c/m

Таким образом, чув­ствительность измерения S напрямую свя­зана с резонансной частотой ω₀:

S·ω₀² = 1

Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чув­ствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональ­ность между измеренной переменной и ам­плитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.

 

В случае чисто амплитудных систем не­обходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвра­щения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормали­зовать, то получим стандар­тизированный коэффициент амортизации D.

D = (p/2·c)·ω₀ =p/(2·√c·m)

Этот коэффициент амортизации в значитель­ной степени определяет переходную и резо­нансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициен­тами амортизации D >√2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1. Для достижения как можно более широкой полосы пропуска­ния на практике обычно используют компро­миссные значения D = 0,5-0,7.

 

 

Применение датчиков ускорения

 

Пьезоэлектрические датчики

 

Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах ава­рийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опро­кидывания автомобиля (рис. «Пьезоэлектрический датчик» ). Их инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).

Чувствительный элемент датчика располо­жен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его по­мещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнитель­ный активирующий электрод упрощает про­верку датчика (бортовая диагностика).

Продольные элементы используются в каче­стве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания. С их по­мощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц). Некапсулирован­ное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обна­ружения детонации почти исключительно ис­пользуются более современные поверхностно- микромеханические датчики.

 

Емкостные кремниевые датчики ускорения

 

Первое поколение микромеханических дат­чиков основывалось на анизотропии и се­лективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).

Емкостные датчики оказались особенно эф­фективны при высокоточных измерениях от­клонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противополож­ными электродами выше и ниже подпружи­ненной инерционной массы. Создается трех­слойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаян­ной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой темпера­турной чувствительностью. В существующих конструкциях для непосредственного соеди­нения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду раз­ного теплового расширения у различных ком­понентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений. Использу­ется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.

Датчики этого типа в основном исполь­зуются для определения ускорений низкого уровня (< 2g) и имеют двухпластинчатую конструкцию (пластина датчика + пластина CMOS со встроенной защитной функцией). Переход к расширенной оценке сигнала при­водит к автоматическому возврату сейсмиче­ской массы в нулевое положение, при этом активирующий сигнал используется как вы­ходная величина.

Ныне также используются поверхностно-микромеханические датчики гораздо мень­шего размера (типичная длина края — 100— 500 мкм), изначально их использовали для больших ускорений (50-100g, в системах защиты пассажиров), но затем стали ис­пользовать и для меньших ускорений. Для построения пружинно-массовой системы на поверхности кремниевой пластины использу­ется аддитивный способ печати (рис. «Датчик ускорения, поверхностно-микромеханический с емкостным отводом» ).

Главным отличием этих датчиков от объ­емных кремниевых элементов является типичная емкость порядка 1 пФ (прежние имели 10-20 пФ). Поэтому оценочная элек­троника встраивается на одну пластину вме­сте с датчиком или очень близко к ней на той же подложке или рамке. Возможны также си­стемы с электростатической обратной связью с управлением по положению.

Для больших ускорений (в системах защиты пассажиров) используются микромеханические поверхностные датчики значительно меньших размеров (типичные значения длины находятся в пределах 100 мкм). Для построения пружинно-массовой системы на поверхности кремниевой пластинки исполь­зуется аддитивный способ печати.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: