Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры

4.3. Промышленные акселерометры и их "интеллектуальное расширение"

Первые промышленные акселерометры, производимые с применением МСТ, были преимущественно одноосными, потом стали выпускать и двухосные. Сравнительно недорогие микросхемы двухосных акселерометров сейчас стали, например, применять в мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах, некоторых мониторах для автоматического поворота выводимого изображения при смене ориентации корпуса. Команду на смену ориентации изображения вырабатывает в них микросхема акселерометра, реагирующая на изменение направления ускорения земного притяжения.

А сейчас уже с десяток фирм (Analog Devices, Freescale Semiconductor, Hitachi Metals, Kionix, Oki Electric, STMicroelectronics и прочие) промышленно производят трехосные акселерометры. Как правило, их выпускают в стандартных корпусах микросхем. Например, трехосный акселерометр ADXL330 фирмы Analog Devices, который потребляет ток всего лишь 0,2 мА при напряжении питания от 2 В, выпускается в пластмассовом корпусе размером мм, предназначенном для поверхностного монтажа на плату. Выпускаются акселерометры как для диапазона малых значений ускорения (от до ), так и для диапазона больших ускорений (от до ) с точностью от 4% до 20% и с частотной полосой до нескольких килогерц. Они массово используются, например, в автомобилях в системах аварийного надувания подушек безопасности при угрозе столкновения.

Один из самых миниатюрных пьезорезистивных трехосных акселерометров НААМ-32 В, имеющий размеры мм, выпустила фирма HDK America Inc. В поле тяготения Земли этот сенсор дополнительно измеряет гравитационное ускорение и может определять углы наклона относительно горизонта. Он рассчитан на применение в портативных компьютерах, в МР3 плейерах, в мобильных телефонах, в контрольно-измерительных приборах, для защиты жестких компьютерных дисков от последствий падения [ [ 113 ] ].

В работе [ [ 3 ] ] сообщается о разработке пьезорезистивного акселерометра, измеряющего не только 3 компоненты линейного, но еще и 3 компоненты углового ускорения относительно трех ортогональных осей в полосе частот до 300 Гц. Этот сенсор очень хорошо показал себя даже в такой области, как распознавание человеческих жестов – по динамике изменения ускорений.

Промышленно выпускаются не только микросхемы акселерометров, но и их " интеллектуальные расширения " – с использованием микрокомпьютеров. Одна из типичных плат интеллектуального сенсора ускорений показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Типичная плата интеллектуального сенсора ускорений: 1 – микросхема акселерометра; 2 – микропроцессор; 3 – микросхема интерфейса; 4 – информационный порт; 5 – кварцевый генератор; 6 – регулятор напряжения; 7 – батарея питания

Сигналы, получаемые от микросхемы акселерометра 1, обрабатываются микроконтроллером 2. С помощью интерфейсной схемы 3 через порт 4 результаты измерения могут быть выведены на индикатор или во внешний компьютер. Через информационный порт 4 сенсор может общаться с внешним компьютером, переходить в другой режим работы, изменять уставки, чувствительность и диапазон измерений акселерометра и т.п. В соответствии с записанной микропрограммой сенсор может запоминать всю динамику движения (ускорение, скорости) за определенный промежуток времени, передать ее через свой интерфейс во внешнюю память. Микропроцессор существенно облегчает калибровку сенсора, обеспечивает возможность его самопроверки и самодиагностики.

4.4. Гироскопы

Недостатком описанных выше акселерометров является то, что они измеряют значение ускорений относительно своих собственных осей. А направление их осей может изменяться, например, вследствие изменения ориентации в пространстве объекта, на котором они установлены. На морских или речных судах это может быть результат бортового или килевого крена, изменения курса судна, на автотранспорте или на железной дороге – результатом наклона дороги или колеи, на воздушном транспорте – результатом маневров самолета или влияния воздушных ям. Описанные в предыдущей лекции сенсоры углов наклона (крена) надежно работают лишь в инерциальных системах отсчета, в которых действует сила тяготения, от направления которой и отсчитываются углы. Но в системах отсчета, которые двигаются ускоренно (самолеты, ракеты, автомобили), могут появляться значительные силы инерции, из-за чего описанные сенсоры крена перестают надежно работать. В таких системах оказывается необходимым какое-то надежное, "эталонное" ("опорное") направление, относительно которого и надо отсчитывать как ускорение, так и скорости и углы крена или поворота. Такое опорное направление в пространстве задают гироскопы [ [ 153 ] , [ 254 ] ].

Традиционный механический гироскоп ( рис. 4.5 слева) состоит из ротора 1, который быстро вращается вокруг своей оси симметрии 2. Эта ось жестко связана с рамкой 3, которая может свободно вращаться вокруг оси 4, ортогональной к оси 2. Ось 4, в свою очередь, жестко связана с рамкой 5, которая может свободно вращаться вокруг оси 6. Она ортогональна к первым двум осям и жестко связана с объектом, на котором установлен гироскоп. Таким образом, ротор может свободно менять свою ориентацию относительно объекта. Другой аналогичный классический вариант гироскопа показан на рис. 4.5 справа. Соответствующую систему крепления осей называют кардановым подвесом. По закону инерции главная ось вращения ротора (2) при любых поворотах объекта стремится сохранить свою исходную ориентацию в пространстве. Именно ее и можно использовать как эталон направления. Обычно исходной ориентацией является направление на неподвижную на ночном небе Полярную звезду, т.е. направление вдоль оси вращения Земли. Как говорят современные моряки, "не беда, что небо заволокло тучами, или что звезды скрыла многометровая толща воды: гироскоп, раскрученный в начале плавания, всегда укажет верное направление".

Рис. 4.5. Конструкция классического гироскопа

Жестко связанная с осью вращения ротора рамка 3 тоже сохраняет свою исходную ориентацию в пространстве. Поэтому её называют " инерциальной платформой ". Если на рамку 3 установить акселерометр, то и он будет сохранять свою ориентацию в пространстве и, следовательно, измерять ускорение относительно исходной системы координат. Получаемые результаты измерений уже не будут зависеть от изменений ориентации контролируемого объекта в пространстве.

Альтернативный подход состоит в том, что на осях вращения 4 и 6 можно установить сенсоры, измеряющие углы поворота объекта относительно его исходной ориентации. Тогда акселерометр совсем не обязательно устанавливать именно на инерциальной платформе, т.е. на рамке 3. Он может быть жестко связан и с самим объектом, что конструктивно проще. А результаты измерения ускорений, которые он выдает, по известным формулам перехода от одной системы координат к другой всегда можно пересчитать в ускорение относительно исходной или произвольной третьей системы координат. Но для этого сенсор, в состав которого входят и акселерометр, и гироскоп, должен быть интеллектуальным. Такой подход называют "использованием виртуальной инерциальной платформы ".

На осях вращения 4 и 6 можно измерять не углы поворота, а моменты сил соответствующего направления и рассчитать по этим моментам угловые ускорения вращения объекта вокруг ортогональной оси. Интегрируя дальше измеренные угловые ускорения по времени, тоже можно определить углы поворота объекта относительно опорной оси. А это опять-таки позволяет использовать "виртуальную инерциальную платформу".

В реальных конструкциях гироскопов всегда присутствуют хотя бы незначительные силы трения, не идеальна балансировка ротора, имеются внешние магнитные поля и другие сторонние воздействия, которые создают пусть незначительные, но дополнительные неконтролируемые моменты вращения. И это приводит к некоторому дрейфу со временем пространственной ориентации опорной оси гироскопа и других его характеристик. Для уменьшения этого дрейфа ось гироскопа иногда не крепят на рамках, а оставляют ротор, замкнутый в герметичной сфере, свободно плавать и вращаться в жидкости с высокой плотностью (чаще всего это фторуглеводороды). Такие гироскопы называют поплавковыми. В другом варианте для уменьшения трения к точкам опоры осей гироскопа подводят инертный газ под высоким давлением, который, создавая газовую прослойку между осью и опорой, значительно уменьшает трение в оси по сравнению с любой смазкой. Гироскопы такой конструкции называют гироскопами на газовых (в частности на воздушных ) подвесках или на аэродинамических подшипниках.

Вращающийся ротор гироскопа может и просто висеть в воздухе или в вакууме за счет электростатических или магнитных сил, которые компенсируют гравитацию. Гироскопы такой конструкции соответственно называют электростатическими или на магнитных подвесках.

Благодаря таким усовершенствованиям удалось повысить временнyю стабильность положения оси гироскопа от порядка 10^–2 угловых градусов за час до порядка 10^–4 /ч и даже 10^–5 /ч [ [ 289 ] ]. Чтобы Вы по достоинству оценили эту суперстабильность укажем, что за год автономного плавания подводной лодки неконтролируемое отклонение оси ее гироскопа от исходной ориентации не превысит 0,1 . А ракета, движением которой будет управлять кибернетическая система с таким гироскопом, преодолев путь во много тысяч километров, может отклониться от цели не более, чем на несколько метров.