Akcelerometry, senzory pro měření statického nebo dynamického zrychlení, jsou vhodné nejen pro měření odstředivých a setrvačných sil, ale i pro určování pozice tělesa, jeho naklonění nebo vibrací. Nejznámější uplatnění je patrně v automobilové průmyslu. V tomto článku se podíváme na strukturu a princip piezoelektrických akcelerometrů, vhodných jak pro měření seismické aktivity, tak zrychlení a vibrací.

Běžné technologie akcelerometrů

Akcelerometry měří zrychlení, tj. přeměňují zrychlení (změnu pohybu) na měřitelný elektrický signál. V zásadě se využívá hlavně následujících tří principů:

 

• piezoelektrické akcelerometry (PE) - dále v tomto článku - využívají piezoelektrický krystal (přírodní nebo keramiku), který generuje náboj úměrný působící síle, která při zrychlení působí na každý objekt
  


• piezoresistivní akcelerometry (PR) - bude popsán v dalších článcích - využívá mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně odporu
  


• akcelerometry s proměnnou kapacitou (VC) - bude popsán v dalších článcích - využívá mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně kapacity

Piezoelektrické akcelerometry (PE akcelerometry)

Obecné základní vlastnosti:

• využívají piezoelektrický materiál, který generuje náboj úměrný mechanickému namáhání vzniklé působící akcelerací
• měření náboje piezokrystalu probíhá buď přímo pomocí externí elektroniky s vysokou vstupní impedancí nebo častěji vnitřní elektronika senzoru konvertuje náboj na napěťový výstup s nízkou impedancí
• jednoduchá konstrukce umožňuje senzor napojit na jednoduchý vyhodnocovací obvod
• nemohou být použity pro měření frekvencí nižších než 0.1 Hz, tedy měření konstantního zrychlení

Základní princip a struktura piezoelektrických akcelerometrů

Základ piezoelektrických akcelerometrů tvoří dvě hlavní části:

• Piezoelektrický materiál (Piezoceramic material) - snímač měřící zrychlení
• Seismická hmota (Seismic mass) - převádí dle Newtonova zákona hodnotu zrychlení na sílu (F=m.a)

 

Jedna strana piezoelektrického materiálu (snímač, resp. převodník zrychlení) je upevněn na tuhou podpěru základny senzoru. Část pojmenovaná jako seismická hmota je připevněna na piezosnímač (případně také k druhé straně pouzdra) - viz obrázek 1. Jestliže je akcelerometr vystaven zrychlení a (vibracím, akceleraci, otřesům), generovaná síla F, která působí na piezoelektrický element, způsobí vygenerování náboje, resp. napětí na výstupu senzoru. Podle Newtonova zákona je tato síla úměrná zdroji zrychlení a seismické hmotě. Piezoelektrický efekt tak generuje na výstupu náboj q úměrný působící síle. Protože seismická hmota má konstantní hmotnost, výstupní signál v podobě náboje je úměrný akceleraci senzoru. Pokud je akcelerometr pevně upevněn k testovanému objektu, měří i jeho zrychlení (zrychlení celé soustavy). Akcelerometr charakterizuje nábojová citlivost (charge sensitivity) Bqa, resp. napěťová citlivost (voltage sensitivity) Bua - viz obrázek 2.

Piezoelektrická element je připojen na výstupní elektrické rozhraní přes pár elektrod. Vlastnosti výstupního signálu jsou obvykle dány vnitřními integrovanými elektrickými obvody ICP (Integrated Circuit - Piezoelectric), které přeměňují vysokoimpendanční signál v podobě náboje Q na nízkoimpedanční napěťový signál U - viz obrázek 3.

Avšak u reálných piezoelektrických akcelerometrů samozřejmě existují limity měření. U tohoto druhu senzorů je možné zrychlení měřit jen uvnitř platného provozního frekvenčního rozsahu, který je daný konkrétní konstrukcí senzoru, protože citlivost je zvláště u některých provedení významně závislá na frekvenci.

Z tohoto pohledu může být piezoelektrický akcelerometr považován za mechanickou dolnofrekvenční propust s rezonanční špičkou. Seismická hmota a piezokeramika (včetně dalších pružných komponent) formují pružnou hmotu systému, který se tak chová jako pružina s vlastní rezonancí a tak definuje horní frekvenční limit akcelerometru. Aby bylo dosaženo širšího provozního frekvenčního rozsahu, měla by být rezonanční frekvence pružné hmoty co nejvyšší. Toho se obvykle dosahuje ubráním seismické hmoty. To však naopak snižuje citlivost senzoru. Dle zaměření senzoru se tak vybírá "menší zlo". Například akcelerometr pro měření otřesů a nárazů (shock akcelerometr) potřebuje mít vyšší rezonanční frekvenci na úkor nižší citlivosti, která zde až tak nevadí.

Na frekvenční křivce lze pozorovat několik užitečných rozsahů. Na zhruba pětině rezonanční frekvence je odezva senzoru 1.05. To znamená, že měřící chyba v porovnání s nižšími frekvencemi je 5%. Na zhruba 1/3 rozsahu je chyba 10 %. Z tohoto důvodu lze frekvenční rozsah považovat za lineární právě do 1/3 hodnoty rezonanční frekvence. 3dB limit s přibližně 30 % chybou obdržíme zhruba na 1/2 hodnoty rezonanční frekvence. Spodní frekvenční limit hlavně závisí na zvoleném předzesilovači a může být často donastaven. Pro napěťové zesilovače je spodní frekvenční limit funkcí RC časové konstantě formované akcelerometrem, kabelem a vstupní kapacitou zesilovače dohromady se vstupním odporem zesilovače Rinp - viz obrázek 3.

Typy piezoelektrických akcelerometrů

Akcelerometry pro měření klasického zrychlení, nárazů a vibrací využívají mírně odlišné konstrukce. Ty upřednostňují určité požadované vlastnosti na úkor jiných. Rozdílné je hlavně vzájemné uspořádání komponent: piezoelektrického snímače, seismické hmoty a pouzdra. Nejběžnější jsou následující tři provedení:

• Smykový mód (Shear mode) - pro senzory se zvýšenou odolností na vliv teploty a parazitní vibrace pouzdra
• Ohybový mód (Flexural mode) - pro velmi citlivé senzory - seismické akcelerometry
• Kompresní mód (Compression Mode) - základní a nejjednodušší provedení - běžné průmyslové akcelerometry

 

Smykový mód (Shear mode)

Akcelerometry pracující ve smykovém módu jsou realizovány spojením nebo jako sendvič snímacího krystalu (piezoelectric material) mezi centrálním nosníkem (post) a seismickou hmotou (seismic mass). Kompresní kruh nebo sloupek (compression ring or stud) působí předpjatou silou vyžadovanou ke vzniku tuhé lineární struktury. Při působení zrychlení hmota způsobuje smykové napětí aplikované na snímací krystal. Izolací krystalu od základny a pouzdra tyto smykové akcelerometry vynikají v eliminaci teplotních přechodů a ohybů základny. Také smyková (shear) geometrie vede na malou strukturu, která minimalizuje zátěžový efekt hmoty na strukturu. To s kombinací se skoro ideálními charakteristikami znamená, že smykové akcelerometry dosahují optimálního výkonu.

 

Ohybový mód (Flexural Mode)

Akcelerometry s ohybovým módem jsou tvořeny snímacím krystalem ve tvaru nosníku, který podporuje vznik napětí na krystal při působení zrychlení. Krystal může být upevněn k hlavnímu nosníku, který zvyšuje hodnotu napětí. Toto provedení poskytuje nízký profil, malou váhu, výbornou teplotní stabilitu a nízkou cenu. Necitlivost na příčný pohyb je také vlastností této struktury. Obecně se systém s ohybným nosníkem vyznačuje velmi vysokou citlivostí (až 100 V/g), je výborný pro nízké frekvence a nízké přetížení a tedy i nízkofrekvenční aplikace, jako například měření seismické aktivity. Z tohoto důvodu se však moc nehodí na běžné aplikace a je nepoužitelný pro prostředí vystavované velkým nárazům a vibracím.

Kompresní mód (Compression Mode)

Akcelerometry v kompresním módu patří k základní a nejběžnější struktuře. Nabízejí jednoduchou konstrukci, vysokou tuhost a odolnost a jsou již dlouhou dobu vyráběné a dobře dostupné. Využívají se k běžnému měření v lehkém i těžkém průmyslu a dlouhodobou detekci správné funkce a stavu komponent a zařízení. Akcelerometry s tímto módem se ještě dále dělí na následující tři typy:

• vzpřímená struktura (upright) - sendvič piezoelektrického krystalu mezi seismickou hmotou a pevnou montážní základnou. Čep nebo šroub zajišťuje upevnění snímače k základně. Když je senzor vystaven zrychlení, seismická hmota zvyšuje nebo snižuje množství síly působící na krystal, jehož elektrický výstup je síle úměrný. Čím větší je seismická hmota, tím je vyšší působící síla a tím i větší signál na výstupu. Z důvodu tuhé struktury se toto provedení vyznačuje vysokou frekvencí, širokopásmovým výstupem a přesnou frekvenční odezvou. Struktura je obecně velmi robustní a vydrží i vysoké krátkodobé přetížení. Samotnou konstrukcí je senzor více citlivý na ohyb pouzdra a na změny teploty.

 

• převrácená struktura (inverted) - izolovaný snímací krystal od montážní základny redukuje vliv ohybu základny a pouzdra a minimalizuje efekty teplotně nestabilní testovací struktury. Často se využívají pro kalibraci jiných akcelerometrů.

• izolovaná struktura (isolated) - redukuje velký vliv výstupu na mechanické napětí a změnu tepla základny. Toho je dosaženo mechanickou izolací snímacího krystalu od montážní základny a použitím duté seismické hmoty (seismic mass), která tak funguje jako tepelný izolant. Celá úprava poskytuje stabilní funkci na nízkých frekvencích, kde změny teploty mohou způsobit teplotní drift výstupního signálu.

 

 

Rozdělení podle použití a typu měření

Akcelerometry jsou využívány v mnoha vědeckých i průmyslových aplikacích jako údržba, letecká technika, automobilový průmysl, zdravotnictví, řízení procesů apod. Avšak pro různá měření, tj. pro měření klasického zrychlení, nárazů a vibrací využívají mírně odlišný princip funkce:

• Seismické senzory - jsou vhodné pro seismické měření a měření vibrací v budov (monitorování budov). Jejich vysoká citlivost se dosahuje přímo vnitřním snímacím elementem a ne pouze vnitřní elektronikou. Z tohoto důvodu mají nejvyšší rozlišení a nejnižší šum. Mohou tedy detekovat i velmi slabé chvění a otřesy. Obvykle využívají ohybovou konstrukci (flexural mode).
  


• Senzory otřesů a vibrací - jsou vhodné pro měření chvění pohyblivých konstrukcí strojů. Často potřebují velkou teplotní odolnost a pevné robustní provedení odolávající prašnému a vlhkému prostředí. Méně přesné akcelerometry jsou konstruovány v kompresním módu, ty přesnější ve smykovém.
  


• Akcelerometry pro měření pohybu - měří pohyb a zrychlení objektu, ke kterém jsou připevněny. Obvykle jsou provedeny v kompresním nebo smykovém módu.

Integrovaná elektronika ICP

Jak již bylo zmíněno v první polovině článku, ICP, což je zkratka "Integrated Circuit - Piezoelectric", označuje piezoelektrické akcelerometry obsahující vnitřní elektroniku, která zpracovává na zkreslení náchylný "surový" signál z piezoelektrického snímače, na "klasický" napěťový signál, který lze již měřit běžnými metodami a měřidly a přenášet po koaxiálním kabelu nebo i klasické dvoulince. Vnitřní výstupní el. obvody se již vyznačují nízkým výstupním odporem a tedy lze přenášet signál i na delší vzdálenost (desítky metrů) s menším vlivem okolního rušení.

Dnes obvykle všechny běžné piezoakcelerometry nějaké provedení ICP obsahují. Výjimkou jsou speciální provedení, kde se vyžaduje laboratorní přesnost a elektronika již může způsobovat nechtěné zkreslení signálu piezosnímače, není pro elektroniku možné zajistit požadované napájení nebo okolní podmínky v místě instalace senzoru by vnitřní elektronika nepřežila (například teploty na 150 °C, velké elmag. rušení apod.). Obvykle jde o senzory pro přesné měření seismické aktivity nebo pro nasazení v oblasti kosmonautiky, vojenského průmyslu nebo vývoje automobilové či letecké techniky. U nich se na výstupní svorky vyvádí již přímo náboj nebo napětí z piezokrystalu. Měření je pak nutné provádět speciálními přípravky s vysokou vstupní impedancí a signál přivádět stíněnými vodiči s vhodnými parametry.

Fotografie provedení některých vyráběných piezoelektrických akcelerometrů

Závěr

Piezoelektrické akcelerometry patří mezi senzory výrobně jednodušší konstrukce, které jsou známé a vyrábějí se již delší dobu. I když na dnešní dobu nestálé miniaturizace a integrovaných obvodů se výše popsané senzory zdají být trošku veliké, ale pro průmyslové aplikace, zvláště ve strojírenství a geologickém výzkumu jsou stále velmi vhodné a často využívané. Jejich výroba je relativně "jednoduchá", nabídka je široká a vyrábí je mnoho firem po celém světě.

V dalším díle se pak podíváme na odvozený druh akcelerometrů - piezoresistivní akcelerometry. Proto sledujte stránky serveru automatizace.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkazy na zajímavé stránky o piezoelektrických akcelerometrech:
  • http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel.php - super informace o akcelerometrech v angličtině
  • http://www.pcb.com/techsupport/tech_indaccel.php - super informace o akcelerometrech v angličtině
  • http://www.sensotec.com/accelerometer_faq.asp?category=All - stručně podané informace o problematice
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer - zákadní informace
  • http://www.dliengineering.com/vibman/theaccelerometer.htm
  • www.bksv.com - výrobce piezoelektrických akcelerometrů
  • www.shocklog.com - výrobce piezoelektrických akcelerometrů
  • www.endevco.com - výrobce piezoelektrických akcelerometrů
  • www.MMF.de - výrobce piezoelektrických akcelerometrů