Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 4:

Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры

Аннотация: Рассмотрены принципы построения акселерометров и гироскопов, в т. ч. с применением МСТ. Рассказано, как действуют химические и биологические сенсоры на кантилеверах, современные виброметры, устройства жидкостной, газовой и других видов хроматографии, интеллектуальные хроматографы.
Ключевые слова: представление, акселерометр, гироскоп, микросистемные технологии, кантилевер, виброметр, интеллектуальный сенсор, прямой, закон Ньютона, время реакции, ПО, пространство, мостовая схема, объект, очередь, электрический сигнал, фирма, semiconductor, цифровой фотоаппарат, analog device, metallization, electric, поле, сенсор, распознавание, порт, индикатор, компьютер, диапазон, микропрограмма, интерфейс, память, микропроцессор, значение, сила тяготения, жесткая связь, формулы перехода, стабильность, путь, гироскоп-акселерометр, вектор, надежность, вероятность отказа, GPS, поле зрения, вибрационный сенсор, транзистор, разность, пьезоэлемент, площадь, рецепторный слой, связь, OaK, 'ridge', мембраны, виброанализатор, выход, суперпозиция, анализ, дисплей, контроль, регулирование, работ, хроматограф, длина, меню, пользователь, интеллектуальный хроматограф, модуль, производительность, мониторинг, виброконтроль, пространственное разделение, Цифровой сигнал

Цель лекции: дать учащимся представление о классических и современных принципах построения акселерометров и гироскопов, в т. ч. с применением микросистемной технологии (МСТ). Объяснить устройство и принципы действия химических и биологических сенсоров на кантилеверах, современных виброметров, классических и современных хроматографов. Описать конкретные примеры интеллектуальных сенсоров с применением указанных принципов.

4.1. Линейные акселерометры

Сенсоры, которые реагируют на ускорение и измеряют его, называют акселерометрами . Различают сенсоры линейного и углового ускорения.

Акселерометр, который измеряет линейное ускорение, т.е. ускорение поступательного движения тела, состоит из инертной массы М, упругого элемента У и демпфера Д ( рис. 4.1). Конструкция акселерометра должна быть такой, чтобы инертная масса М могла перемещаться лишь вдоль одной прямой, которую называют осью акселерометра. В контролируемом объекте, движущемся с ускорением а в направлении оси акселерометра, на массу М действует сила инерции, которая согласно второму закону Ньютона равняется Ма. Под действием этой силы инертная масса М приходит в движение, деформируя упругий элемент У, который противодействует движению. Чтобы в этой механической системе не возникали продолжительные колебания, используется демпфер Д, который тоже оказывает сопротивление движению инертной массы М с силой, пропорциональной скорости ее движения, и превращает энергию колебательного движения в тепло.

Принципиальная механическая схема акселерометра

Рис. 4.1. Принципиальная механическая схема акселерометра

Движение инертной массы М описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:

M\frac{d^2x}{dt^2}+b\frac{dx}{dt}+kx=Ma ( 4.1)

где x – отклонение инертной массы М от положения равновесия; b – коэффициент затухания, обусловленный демпфированием; k – коэффициент жесткости упругого элемента; a – текущее ускорение объекта, на котором установлен акселерометр.

Демпфер обычно регулируют так, чтобы коэффициент затухания достиг критического значения. В этом случае время реакции акселерометра на изменение ускорения оказывается наименьшим, и даже при скачкообразном изменении ускорения a колебания вокруг нового положения равновесия не возникают. Чтобы определить ускорение a, достаточно измерить отклонение x от положения равновесия или силу F = kx, которая действует на упругий элемент.

Таким образом, инертная масса М обеспечивает преобразование первичного информационного сигнала в виде линейного ускорения в механическое перемещение или в силу деформации упругого элемента. Упругий элемент обеспечивает линейность или, по крайней мере, взаимную однозначность преобразования. А демпфер предотвращает возникновение длительных колебательных процессов. Получается, что все они являются необходимыми составными элементами акселерометра.

На рис. 4.2 показана конструкция емкостного акселерометра, изготовленного с использованием МСТ. В кристалле кремния 1 вытравлены участки 2 так, что значительная инертная масса 3 механически отделена от других частей акселерометра. Она соединена с ними лишь тонкими перемычками 4, которые играют роль упругих элементов. На небольшом расстоянии (~ 10 мкм) от кристалла кремния сверху и снизу расположены металлические электроды 5 и 6. Роль демпфера играет вязкая непроводящая жидкость, которой заполняется пространство между электродами и кремнием.

Конструкция емкостного акселерометра

Рис. 4.2. Конструкция емкостного акселерометра

Инертная масса 3 в такой конструкции может перемещаться только по вертикали. Электрические ёмкости между ней и верхним (нижним) электродами включены в противоположные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Её балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю. Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением, направленным вдоль оси сенсора, инертная масса 3 смещается из положения равновесия, вследствие чего одна из емкостей возрастает, а другая уменьшается. Из-за нарушения баланса на выходе мостовой схемы появляется напряжение соответствующего знака и тем большее, чем больше ускорение. Мостовую электрическую схему, необходимые электронные ключи, усилители, элементы термокомпенсации, – все, что требуется для обработки сигналов и калибровки акселерометра, – формируют ныне методами МСТ на том же кристалле кремния.

В описанной конструкции акселерометра ускорение, которое и является здесь первичным информационным сигналом, сначала превращается в линейное перемещение инертной массы. Перемещение, в свою очередь, преобразуется в изменение емкости верхнего и нижнего конденсаторов, а последнее – в электрический сигнал. Емкостные акселерометры марки ММА62хх, в том числе и для спортивных применений, выпускает, например, фирма Freescale Semiconductor Inc. [ [ 2 ] ].

В пьезорезистивных акселерометрах измеряется не линейное перемещение инертной массы, а сила, которая действует на упругий элемент. Для измерения этой силы в упругих элементах формируют кремниевые пьезорезисторы. Например, в конструкции, показанной на рис. 4.2, их формируют прямо в перемычках 4. Опорные пьезорезисторы, которые нужны для температурной компенсации, формируют на том же кристалле кремния в местах, где механическое напряжение не возникает, и включают в другое плечо мостовой электрической измерительной схемы.

4.2. Угловые акселерометры

Для измерения угловых ускорений требуется ротор 1 с достаточно большим моментом инерции ( рис. 4.3) относительно оси вращения 2. Этому вращению должен противодействовать упругий элемент закручивания 3, который создает момент силы, пропорциональный углу закручивания. И также нужен демпфер, который гасит энергию возникающих крутильных колебаний. Тогда в случае возникновения углового ускорения контролируемого объекта в направлении оси акселерометра, ротор 1 под действием момента инерции поворачивается на определенный угол.

Механическая схема углового акселерометра: 1 - ротор; 2 - ось вращения; 3 - упругий элемент; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя опора

Рис. 4.3. Механическая схема углового акселерометра: 1 - ротор; 2 - ось вращения; 3 - упругий элемент; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя опора

Вращение ротора описывается дифференциальным уравнением, аналогичным (4.1), в котором массу надо заменить на момент инерции ротора, линейное смещение x на угол поворота, а линейное ускорение – на угловое ускорение. Роль демпфера играет регулируемый момент сил трения между осью ротора и опорами. Измеряя угол закручивания или момент силы на упругом элементе, можно определить величину углового ускорения.

С использованием микросистемных технологий угловые акселерометры нынче тоже делают в микроминиатюрном исполнении.