Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры
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.
Движение инертной массы М описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:
 |
( 4.1) |
где 
– отклонение инертной массы М от положения равновесия; 
– коэффициент затухания, обусловленный демпфированием; 
– коэффициент жесткости упругого элемента; 
– 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 колебания вокруг нового положения равновесия не возникают. Чтобы определить ускорение , достаточно измерить отклонение от положения равновесия или силу 
, 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.
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.
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 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.