Twoja przeglądarka nie jest już wspierana, pobierz nową wersję.

Chrome Chrome Pobierz
Firefox Firefox Pobierz
Opera Opera Pobierz
Internet explorer Internet Explorer Pobierz
Panel klienta
W Twoim koszyku

Akcelerometr - jak działa i do czego służy?

2020-01-08

Akcelerometr - jak działa i do czego służy?

Akcelerometr - co to jest i do czego służy? W jakich rozwiązaniach warto zastosować akcelerometr? Przyspieszeniomierz jest to urządzenie, które zapewnia możliwość mierzenia i analizowania przyśpieszenia liniowego i kątowego. Funkcja ta jest niezbędna w wielu podstawowych urządzeniach i systemach wykorzystywanych w niemal każdej dziedzinie życia – zarówno w domowych urządzeniach codziennego użytku, jak i profesjonalnych aplikacjach przemysłowych czy badawczo-rozwojowych.

Z tego artykułu dowiesz się:

AKCELEROMETR - CO TO JEST I DO CZEGO SŁUŻY?

Akcelerometry stosowane są w pomiarach statycznego przyśpieszenia grawitacyjnego, które pozwala wyznaczać kąt odchylenia mierzonego obiektu od pionu, a także w pomiarach przyśpieszenia dynamicznego na skutek wstrząsów, ruchu, uderzenia czy wibracji, czyli drgań o małej amplitudzie i niskiej częstotliwości, która sięga kilkudziesięciu Hz.

  • Jak działa akcelerometr w trakcie mierzenia wibracji? Przyspieszeniomierz implementowany jest bezpośrednio na obiekcie, który wibruje, co pozwala mu przetwarzać energię drgań w sygnał elektryczny, który jest proporcjonalny do chwilowego przyśpieszenia obiektu.
  • Co robi akcelerometr? Pomiar wibracji wykorzystywany jest zazwyczaj do diagnostyki pracy maszyn, urządzeń czy konstrukcji poddawanych dużym naprężeniom, np. konstrukcji stalowych masztów, mostów czy obiektów budowlanych. Akcelerometry stosowane są również m.in. do ochrony dysków twardych przed uszkodzeniem, w sprzęcie medycznym i sportowym, w aparatach i kamerach, w smartfonach, pilotach, kontrolerach czy w systemach nawigacji.
  • Czym jest akcelerometr?Jest to nic innego jak przetwornik przyśpieszenia, mierzący własny ruch w przestrzeni. Istnieją trzy podstawowe rodzaje akcelerometrów, o których więcej w dalszej części artykułu.

AKCELEROMETR - ZASADA DZIAŁANIA

Zasada działania akcelerometrów nie jest zbyt skomplikowana. Mierzy on siłę przyśpieszenia w jednostce g i może dokonywać pomiaru w jednej, dwóch lub trzech płaszczyznach. Obecnie najpowszechniej stosowane są akcelerometry 3-osiowe, których konstrukcja składa się z układu trzech akcelerometrów, a każdy z nich mierzy przyśpieszenie w innym kierunku – w płaszczyznach X, Y i Z. Przykładem 3-osiowego przyspieszeniomierza może być model ADAFRUIT 2019. ADA-2019

Jeżeli przyśpieszenie w dowolnej płaszczyźnie zadziała w przeciwnym kierunku niż ten, w którym został skierowany czujnik, akcelerometr zmierzy przyśpieszenie z wartością ujemną. W przeciwnym razie przyśpieszenie będzie mierzone z wartością dodatnią.

Jeżeli na akcelerometr nie działa żadne zewnętrzne przyśpieszenie, urządzenie zmierzy wyłącznie przyśpieszenie ziemskie, czyli siłę grawitacji. Przyjmując, że przyspieszeniomierz3-osiowy wypozycjonowany jest w taki sposób, że czujnik w osi X skierowany jest w lewo, czujnik w osi Y w dół, a czujnik w osi Z w przód i nie działają na niego żadne siły, wówczas akcelerometr zwróci wartości: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g. Jeżeli ten sam akcelerometr zostanie wychylony w lewo, jego wskazania pokażą: X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Analogicznie, gdy odchylenie nastąpi w prawo, płaszczyzna X zwróci wynik X = -1 g. Podane zależności pomiaru przyśpieszenia wykorzystywane są przez algorytmy układów nadzorujących pracę przyspieszeniomierza.

JAKIE SĄ RODZAJE AKCELEROMETRÓW, JAK ZBUDOWANE SĄ PRZYSPIESZENIOMIERZE?

Wśród podstawowych rodzajów przyspieszeniomierzy wyróżnia się trzy typy: akcelerometry pojemnościowe MEMS, akcelerometry piezoelektryczne oraz akcelerometry piezorezystancyjne.

Akcelerometry pojemnościowe MEMS

Akcelerometry pojemnościowe wykorzystujące technologię MEMS to najtańsze, najpowszechniejsze i najmniejsze przyspieszeniomierze na rynku. Jak działa akcelerometr pojemnościowy MEMS? Zasada jego działania sprowadza się do umieszczenia ciężaru zamontowanego na sprężynach. Jeden kraniec sprężyn przytwierdzony jest do okładzin kondensatora grzebieniowego, natomiast drugi kraniec - do zamontowanego ciężaru. Pod wpływem działającej na sensor siły ciężar przemieszcza się na sprężynach, co powoduje zmianę odległości pomiędzy elementem kondensacyjnym a masą i tym samym wpływa na zmianę pojemności. Przykładem akcelerometru MEMS może być model SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267 lub SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926.

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

Pojemnościowe akcelerometry MEMS stosowane są głównie w urządzeniach wearables, sprzętach mobilnych oraz szeroko rozumianej elektronice użytkowej. Jedną z największych zalet akcelerometrów MEMS jest możliwość ich implementacji bezpośrednio na płytce drukowanej. Do wad przyspieszeniomierzy MEMS należy zaliczyć małą dokładność pomiarową, zwłaszcza w przypadku pomiarów wyższych amplitud i częstotliwości, przez co nie nadają się one do specjalistycznych zastosowań przemysłowych.

Akcelerometry piezorezystancyjne

Kolejnym rodzajem akcelerometrów są czujniki wykorzystujące efekt piezorezystancji. Co robi akcelerometr piezorezystancyjny? Jego zasada działania zbliżona jest do działania tensometru, czyli czujnika mierzącego naprężenia. Tego typu przyspieszeniomierz wyposażone są w materiał piezorezystancyjny, który pod wpływem zewnętrznej siły odkształca się, powodując zmianę rezystancji.

Zmiana rezystancji zostaje następnie przetworzona w sygnał elektryczny odbierany przez zintegrowany z akcelerometrem odbiornik. Akcelerometry piezorezystancyjne odznaczają się dużym pasmem pomiarowym, dzięki czemu są w stanie rejestrować drgania o wysokich amplitudach i częstotliwościach, co jest przydatne m.in. podczas różnorodnych testów zderzeniowych.

Kolejną zaletą akceleratorów piezorezystancyjnych jest możliwość pomiaru sygnałów wolnozmiennych, co pozwala na ich użytkowanie w systemach nawigacji inercyjnej w celu obliczania prędkości i przemieszczania elementów układów.

To, jak działa akcelerometr piezoelektryczny, sprawia, że jest on nieodporny na zmiany temperatury otoczenia, co wymaga kompensacji temperaturowej. Poza tym akcelerometry tego typu mają problemy z wykrywaniem słabych sygnałów, a także są o wiele droższe od akcelerometrów pojemnościowych MEMS.

Akcelerometry piezoelektryczne

Czym jest akcelerometr piezoelektryczny? Przyspieszeniomierz ten jest jednym z najczęściej wykorzystywanych czujników służących do pomiaru poziomu wibracji. Z tego też względu akcelerometry piezoelektryczne powszechnie stosowane są w aplikacjach przemysłowych do diagnostyki czy kontroli maszyn i urządzeń. Jak działa akcelerometr piezoelektryczny? Jego działanie zbliżone jest do sposobu funkcjonowania układów piezorezystancyjnych. Pod wpływem przyśpieszenia nie zmieniają one jednak swojej rezystancji, a generują napięcie elektryczne o określonej wartości.Elementem pomiarowym tych czujników jest zazwyczaj cyrkonian-tytanian ołowiu (PZT). Cyrkonian-tytanian ołowiu odkształcając się, generuje ładunek elektryczny. Akcelerometry piezoelektryczne odznaczają się wysoką czułością i dokładnością, dzięki czemu znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach – od niezwykle zaawansowanych i precyzyjnych pomiarów sejsmicznych do testów zderzeniowych i niszczących przeprowadzanych w niekorzystnych warunkach.Sygnał wyjściowy akcelerometrów piezoelektrycznych poddawany jest zazwyczaj wzmocnieniu i kompensacji temperaturowej. Obliczaniu przemieszczania obiektu sprzyja przesyłanie sygnału na wejście integratora.

Pozostałe akcelerometry

Wśród pozostałych konstrukcji akcelerometrów należy wymienić konstrukcje IEPE, które powszechnie wykorzystywane są do pomiarów wibracji. Na uwagę zasługują także piezoelektryczne akcelerometry ładunkowe, które sprawdzają się do pracy w ekstremalnych temperaturach.

Symbol: Opis:
ADA-2019 Czujnik: akcelerometr; 3,3÷5VDC; I2C; MMA8451; ±3,±4,±8g; Kanały: 3
SF-DEV-09267 Czujnik: akcelerometr; analogowy; ADXL335; LilyPad; 20mm
SF-BOB-13926 Czujnik: akcelerometr; 1,95÷3,6VDC; I2C; MMA8452Q; ±2,±4,±8g

PRZECZYTAJ TAKŻE