Selaat sivuja, jojka ovat tarkoitettu asiakkaille:sta/stä: Finland. Sivujen suositeltu versio, sinun sijaintitietojesi perusteella, on USA / US
Käyttäjätilisi
Korissasi
Kirjaudu sisään

Kiihtyvyysmittari – miten toimii ja mihin se on tarkoitettu?

2020-10-09

Kiihtyvyysmittari – mikä se on ja mihin se on tarkoitettu? Mihin tarkoituksiin kannattaa käyttää kiihtyvyysmittaria? Kiihtyvyysmittari on laite, joka mahdollistaa lineaarisen- ja kulmakiihtyvyyden mittaamisen ja analysoinnin. Kyseinen toiminto on välttämätön lukuisissa, melkein jokaisella elämän osa-alueella käytettävissä peruslaitteissa ja -järjestelmissä – sekä jokapäiväiseen käyttöön tarkoitetuissa kotilaitteissa että ammattikäyttöön tarkoitetuissa teollisuus- sekä tutkimus- ja kehityssovelluksissa.

Tästä artikkelista löydät tietoa siitä:

KIIHTYVYYSMITTARI – MIKÄ SE ON JA MIHIN SE ON TARKOITETTU?

Kiihtyvyysmittareita käytetään staattisen putoamiskiihtyvyyden mittaamisessa, jonka avulla voi määrittää mitattavan kohteen poikkeamakulma pystysuorasta, sekä dynaamisen kiihtyvyyden mittaamisessa, jonka aiheuttavat tärähdykset, liike, isku tai värinä, eli alhaisen amplitudin ja alhaisen taajuuden värähtely, joka ulottuu muutamaan kymmeneen Hz:iin.

  • Miten kiihtyvyysmittari toimii värähtelymittauksen aikana? Kiihtyvyysmittaria käytetään suoraan kohteessa, joka värähtelee, minkä ansiosta se muuttaa värähtelyenergiaa sähkösignaaliin, joka on verrannollinen kohteen hetkelliseen kiihtyvyyteen.
  • Mitä kiihtyvyysmittari tekee? Värähtelymittausta käytetään yleensä koneiden ja laitteiden toiminnan sekä niiden rakenteiden diagnostiikkaan, jotka ovat alttiita suurille jännityksille. Tässä tarkoitetaan esim. mastojen, siltojen sekä rakennuskohteiden teräsrakenteita. Kiihtyvyysmittareita käytetään myös mm. kiintolevyjen suojaamiseen vahingoittumiselta, lääketieteellisissä- ja urheiluvarusteissa, kameroissa ja videokameroissa, älypuhelimissa, kaukosäätimissä, ohjaimissa sekä navigointijärjestelmissä.
  • Mikä kiihtyvyysmittari on? Se ei ole mitään muuta kuin kiihtyvyyden muunnin, joka mittaa omaa liikettään ympäristössä. On olemassa kolme tyyppiä kiihtyvyysmittareita, joista lisää artikkelin jatko-osassa.

KIIHTYVYYSMITTARI - TOIMINTAPERIAATE

Kiihtyvyysmittareiden toimintaperiaate ei ole kovin monimutkainen. Se mittaa kiihtyvyysvoimaa yksikössä g ja voi tehdä mittauksia yhdessä, kahdessa tai kolmessa tasossa. Nykyään suosituimpia ovat 3-akseliset kiihtyvyysmittarit, joiden rakenne koostuu kolmen kiihtyvyysmittarin järjestelmästä ja jokainen niistä mittaa kiihtyvyyttä eri suuntaan – tasoissa X, Y ja Z. 3-akselisen kiihtyvyysmittarin esimerkki voi olla OKYSTAR OKY3230-malli. OKY3230

Jos kiihtyvyys missä tahansa tasossa toimii eri suuntaan kuin se, mihin anturi on kohdistettu, kiihtyvyysmittari mittaa kiihtyvyyttä, jonka arvo on negatiivinen. Päinvastaisessa tilanteessa mitattavan kiihtyvyyden arvo tulee olemaan positiivinen.

Jos kiihtyvyysmittariin ei vaikuta mikään ulkoinen kiihtyvyys, laite mittaa ainoastaan putoamiskiihtyvyyttä, eli painovoimaa. Olettaen, että 3-akselinen kiihtyvyysmittari on sijoitettu siten, että anturi X-akselissa on kohdistettu vasemmalle, anturi Y-akselissa – alas ja anturi Z-akselissa – eteenpäin ja mitkään voimat eivät vaikuta siihen, niin kiihtyvyysmittari osoittaa seuraavat arvot: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g. Jos sama kiihtyvyysanturi kallistetaan vasemmalle, se osoittaa arvot X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Vastaavasti, jos kallistus tapahtuu oikealle, X-taso osoittaa arvon X = -1 g. Annettuja kiihtyvyyden mittauksen riippuvuuksia käyttävät kiihtyvyysmittarin toimintaa valvovien järjestelmien algoritmit.

MITKÄ OVAT KIIHTYVYYSMITTAREIDEN TYYPIT, MITEN KIIHTYVYYSMITTARIT OVAT RAKENNETTU?

PERUSTYYPPISIÄ KIIHTYVYYSMITTAREITA on kolme eri tyyppiä: MEMS kapasitiivisia kiihtyvyysmittareita, pietsosähköisiä kiihtyvyysmittareita sekä pietsoresistiivisiä kiihtyvyysmittareita.

MEMS kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit

MEMS-tekniikkaa käyttävät kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit ovat halvimpia, yleisimpiä ja pienimpiä kiihtyvyysmittareita markkinoilla. Miten MEMS kapasitiivinen kiihtyvyysmittari toimii? Sen toimintaperiaate perustuu jousilla asetetun kuorman sijoittamiseen. Jousien yksi pää on kiinnitetty kampakondensaattorin koteloon ja toinen – asennettuun kuormaan. Anturiin vaikuttavan voiman alaisena kuorma liikkuu jousilla, mikä aiheuttaa tiivistyskomponentin ja massan välisen etäisyyden muutoksen ja samalla se vaikuttaa kapasitanssin muutokseen. MEMS kiihtyvyysmittarin esimerkki voi olla SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267- tai SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926-malli.

SF-DEV-09267 SF-DEV-09267 SF-BOB-13926 SF-BOB-13926

MEMS kapasitiivisia kiihtyvyysmittareita käytetään etenkin wearables-laitteissa, mobiililaitteissa sekä laajasti ymmärretyssä käyttöelektroniikassa. Yksi MEMS kiihtyvyysmittareiden suurimmista eduista on mahdollisuus käyttää niitä suoraan piirilevyllä. MEMS kiihtyvyysmittareiden heikkouksiin kuuluu alhainen mittaustarkkuus, varsinkin korkeampien amplitudien ja taajuuksien tapauksessa, minkä takia ne eivät ole sopivia erikoistuneisiin teollisuussovelluksiin.

Pietsoresistiiviset kiihtyvyysmittarit

Seuraava kiihtyvyysmittarityyppi on anturi, joka hyödyntää pietsoresistiivistä ilmiötä. Mitä pietsoresistiivinen kiihtyvyysmittari tekee? Sen toimintaperiaate on samantapainen kuin venymäliuska-anturin, eli jännitteitä mittaavan anturin toiminta. Sen tyyppiset kiihtyvyysmittarit ovat varustettu pietsoresistiivisellä materiaalilla, joka muuttaa muotoaan ulkoisen voiman vaikutuksen alaisena, aiheuttaen resistanssin muutoksen.

Resistanssin muutos muuttuu sen jälkeen sähkösignaaliksi, jota vastaanottaa kiihtyvyysmittarin kanssa integroitu vastaanotin. Pietsoresistiivisten kiihtyvyysmittareiden ominaisuuksiin kuuluu laaja mittauskaista, minkä ansiosta ne pystyvät tallentamaan värähtelyä, jolla on korkeat amplitudit ja taajuudet, mikä on kätevää mm. erilaisten törmäystestien aikana.

Pietsoresistiivisten kiihtyvyysmittareiden seuraava etu on mahdollisuus mitata hitaasti muuttuvia signaaleja, mikä mahdollistaa niiden käyttämisen inertiasuunnistusjärjestelmissä, mikropiirien komponenttien nopeuden ja siirtymän mittaamiseksi.

Sen johdosta, miten pietsosähköinen kiihtyvyysmittari toimii, se ei ole kestävä ympäristölämpötilan muutoksille, mikä vaatii lämpötilakompensaatiota. Lisäksi sen tyyppisillä kiihtyvyysmittareilla on ongelmia heikkojen signaalien havaitsemisessa ja ne ovat huomattavasti kalliimpia kuin MEMS kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit.

Pietsosähköiset kiihtyvyysmittarit

Mikä pietsosähköinen kiihtyvyysmittari on? Kyseinen kiihtyvyysmittari on yksi useimmin käytetyistä, värähtelytason mittaamiseen tarkoitetuista antureista. Juuri sen takia pietsosähköisiä kiihtyvyysmittareita käytetään yleisesti koneiden ja laitteiden diagnostiikkaan ja valvontaan tarkoitetuissa teollisuussovelluksissa. Miten pietsosähköinen kiihtyvyysmittari toimii? Sen toiminta muistuttaa pietsoresistiivisten mikropiirien toimintaperiaatetta. Kiihtyvyyden alaisena ne eivät kuitenkaan muuta resistanssiaan, vaan ne generoivat tietyn arvoista jännitettä. Kyseisten antureiden mittauskomponentti on yleensä lyijyzirkonititanaatti (PZT). Lyijyzirkonititanaatti, muotoa muuttaessaan, luo sähkövarauksen. Pietsosähköisten kiihtyvyysmittareiden ominaisuuksiin kuuluu korkea herkkyys ja tarkkuus, minkä ansiosta niitä käytetään lukuisissa sovelluksissa – erittäin kehittyneistä ja tarkoista seismisistä mittauksista, epäsuotuisissa olosuhteissa suoritettaviin törmäys- ja rikkoviin testeihin. Pietsosähköisten kiihtyvyysmittareiden lähtösignaalia yleensä vahvistetaan ja suoritetaan lämpötilakompensaatio. Kohteen siirtymän mittausta tukee signaalin lähettäminen integraattorin tuloon.

Muut kiihtyvyysmittarit

Muista kiihtyvyysmittareiden rakenteista täytyy mainita IEPE rakenteet, joita käytetään yleisesti värähtelymittaukseen. Huomiota kannattaa kiinnittää myös varauslähtöisiin pietsosähköisiin kiihtyvyysmittareihin, jotka toimivat hyvin äärilämpötiloissa.

Symboli: Kuvaus:
OKY3230 Anturi: kiihtyvyysmittari; 3,3÷5VDC; I2C; MMA8451
SF-DEV-09267 Anturi: kiihtyvyysmittari; analoginen; ADXL335; LilyPad; 20mm
SF-BOB-13926 Anturi: kiihtyvyysmittari; 1,95÷3,6VDC; I2C; MMA8452Q; ±2,±4,±8g

LUE MYÖS

Verkkoselaimesi ei saa tukea enää. Lataa uusi versio.

Chrome Chrome Lataa
Firefox Firefox Lataa
Opera Opera Lataa
Internet explorer Internet Explorer Lataa