Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

1. Что такое акселерометр? Назовите 2 основных вида акселерометров.
2. Опишите превращения сигналов, которые происходят в микроэлектронном ёмкостном сенсоре линейного ускорения.
3. Для чего предназначен гироскоп? Вкратце расскажите, из каких частей он состоит и как функционирует.
4. Что такое "инерциальная платформа"?
5. Что такое гироскоп на воздушных или на магнитных "подвесках"? Какие гироскопы называют "поплавковыми" и "электростатическими"?
6. Объясните, почему в микромеханических гироскопах и акселерометрах предпочитают использовать не вращающиеся, а вибрирующие инертные массы?
7. Назовите недостатки и преимущества микромеханических гироскопов-акселерометров. Приведите примеры их применения.
8. Что такое кантилевер? Какое применение они находят сейчас в сенсорах?
9. На каких принципах основан виброанализ? В чем состоит преимущество интеллектуальных виброанализаторов?
10. Почему хроматографические сенсоры мы относим к классу механических? Для решения каких сенсорных задач их применяют? Объясните принцип их действия.
11. Чем отличаются газовая и жидкостная хроматография?
12. Может ли "неподвижной фазой" быть жидкость?

Упражнения

Упражнение 4.1. Нарисуйте эскиз принципиальной механической схемы акселерометра, измеряющего линейное ускорение. Объясните назначение всех основных элементов этой схемы. Если можете, запишите дифференциальное уравнение движения инертной массы.

Упражнение 4.2. Нарисуйте эскиз принципиальной механической схемы акселерометра, измеряющего угловое ускорение. Объясните назначение всех основных элементов этой схемы.

Упражнение 4.3. Объясните принцип использования "виртуальной инерциальной платформы". Если можете, запишите формулы пересчета ускорений, измеряемых трехосным акселерометром, установленным на контролируемом объекте, в ускорения относительно исходной системы координат, используя измеренные углы поворота рамок гироскопа.

Упражнение 4.4.

Вариант 1. Рассчитайте предельное отклонение оси гироскопа от исходного направления за 9 месяцев полета космического корабля к Марсу, если временнaя стабильность положения оси составляет 10^–4 /ч.

Вариант 2. Рассчитайте предельное отклонение оси гироскопа от исходного направления за 15 месяцев автономного плавания атомной подводной лодки, если временнaя стабильность положения оси гироскопа составляет 10^–5 /ч.

Вариант 3. Рассчитайте предельное отклонение межконтинентальной баллистической ракеты от цели, обусловленное временнoй нестабильностью положения оси её гироскопа 3 x 10^–5 /ч, если ракета летит со скоростью 6 км/с и преодолевает расстояние 6600 км.

Упражнение 4.5. Используя формулу (4.3), рассчитайте:

Вариант 1. Изменение частоты колебаний кварцевого пьезоэлемента при увеличении его массы на 1 мкг, если частота его свободных колебаний составляет 4,5 МГц, а площадь электрода 1,6 см².

Вариант 2. Массу навески на кварцевых микровесах, если частота колебаний пьезоэлемента изменилась от 4,80 МГц до 4,72 МГц при площади электрода 0,3 см².

Вариант 3. Теоретическую чувствительность микровесов, если площадь электрода пьезоэлемента уменьшить до 5 x 5 мм², и фиксировать изменение частоты на 10 Гц от исходной 4,5 МГц.

Упражнение 4.6. Назовите основные составные части, коротко объясните их назначение и последовательные преобразования сигналов в следующих сенсорах:

Вариант 1. Сенсор на кантилеверах.

Вариант 2. Виброметр/виброанализатор.

Вариант 3. Жидкостной колонковый хроматограф.

Вариант 4. Газовый капиллярный хроматограф.

Упражнение 4.7. Нарисуйте пример хроматограммы и объясните, что откладывается в ней на координатных осях. Какую полезную информацию можно из неё извлечь? Какую цель преследует калибровка хроматографа и в чем она состоит?

Упражнение 4.8. Установите соответствие между перечисленными в таблице сенсорами, объектами их наблюдения и чувствительными элементами: