Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для активации системы пассивной безопасности автомобиля, обнаружения детонации и управления двигателем, а также для контроля бокового ускорения и изменения скорости на полноприводных автомобилях, оснащенных ABS. Именно о датчиках ускорения и вибрации и пойдет речь в этой статье.
Оглавление
- Принципы измерения для датчиков ускорения
- Примеры типичных значений ускорения транспортных средств
- Применение датчиков ускорения
- Пьезодатчики
- Кремниевые емкостные датчики ускорения
Что измеряют датчики ускорения
Все датчики ускорения измеряют силы, действующие на (нейтральную) массу m под действием ускорения a в соответствии с фундаментальным законом механики:
F=m-a
Как и в случае измерения силы, существуют системы для измерения как положения, так и механического напряжения. Первые особенно широко используются в области низкого ускорения. Системы позиционного зондирования также позволяют использовать метод компенсации, при котором отклонение системы, вызванное ускорением, компенсируется эквивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система почти всегда работает очень близко к нулю (высокая линейность, минимальная боковая чувствительность, высокая температурная устойчивость). Эти системы с позиционным управлением также имеют более высокую жесткость и частоту среза, чем системы перемещения того же типа. Любые недостатки механического демпфирования могут быть созданы здесь в электронном виде.
Примеры типичных значений ускорений в автомобиле
Все датчики ускорения крепятся пружинами непосредственно к гравитационному маятнику (см. рисунок «Датчики ускорения, измеряющие перемещение»). 
Другими словами, инертная масса упруго соединена с телом, ускорение которого необходимо измерить. Это означает, что в статическом случае ускоряющая сила находится в равновесии с восстанавливающей силой, действующей на пружину, отклоненную на x:
F = m-a = c-x
где c — константа эластичности.
Поэтому чувствительность измерения S будет одинаковой:
S = x/a = m/c
Другими словами, большая масса в сочетании с малой жесткостью пружины (или постоянной пружины) дает высокую чувствительность измерения. Если написать уравнение полностью для статического и динамического случаев, то становится очевидным, что необходимо учитывать не только упругость пружины, но и силу трения и инерции:
F = t-a = cc+rx′+t»
Эти компоненты пропорциональны логическому выводу относительно времени перемещения x (p — коэффициент трения). Полученное дифференциальное уравнение описывает осциллирующую (резонирующую) систему. Если считать трение пренебрежимо малым (p ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:
ω0 = √c/m
Таким образом, чувствительность измерения S напрямую связана с резонансной частотой ω0:
S-ω02 = 1
Другими словами, удвоение резонансной частоты приведет к снижению чувствительности в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональность между измеряемой величиной и амплитудой только на частотах ниже их резонансной частоты.
В случае чисто амплитудных систем демпфирование должно быть задано как можно точнее и как можно меньше зависеть от температуры, чтобы получить наиболее однородную частотную характеристику (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и избежать разрушительной резкости резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если нормировать коэффициент трения p, то получится нормированный коэффициент демпфирования D.
D = (p/2-c)-ω0 =p/(2-√c-m)
Этот коэффициент демпфирования в значительной степени определяет переходные и резонансные характеристики. В то время как периодическое возбуждение с коэффициентом демпфирования D > √2/2 ≈ 0,707 уже не имеет резкого резонанса (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любые колебательные переходные процессы в случае ступенчатого возбуждения исчезают при D > 1. Для достижения максимально широкой частотной характеристики на практике обычно используются компромиссные значения D = 0,5 — 0,7.
Применение датчиков ускорения
Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические биморфные пружинные элементы (пьезокерамика с двумя слоями) используются в аварийных срабатываниях преднатяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и противозатопляющих планок (рисунок «Пьезоэлектрический датчик» ). 
Их инерционная масса вызывает деформацию при ускорении, что позволяет получить достаточный динамический сигнал с благоприятными характеристиками обработки (обычно предел частоты составляет 10 Гц).
Чувствительный элемент датчика помещен в герметичный корпус, в котором также находится предусилитель сигнала. Иногда его заключают в гель для физической защиты. Принцип активации датчика также может быть обратным. Дополнительный активирующий электрод упрощает проверку датчика (бортовая диагностика).
Продольные элементы используются в качестве датчиков детонации (датчиков ускорения) в системах слежения за зажиганием. Они используются для измерения вибрационного шума в блоке двигателя (диапазон измеряемых ускорений составляет около 10g при типичной частоте 5-20кГц). Непостроенное пьезокерамическое кольцо измеряет инерционные силы, действующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня более совершенные поверхностные микромеханические датчики используются почти исключительно для обнаружения детонации.
Пример HTML-страницы
Емкостные кремниевые датчики ускорения
Первое поколение микромеханических датчиков опиралось на методы анизотропии и селективного травления для достижения желаемых свойств системы пружина-масса в пластине (микромеханика объемного кремния) и желаемого профиля пружины (рисунок «Объемный кремниевый датчик ускорения»).
Емкостные датчики оказались особенно эффективными в высокоточных измерениях отклонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противоположными электродами над и под подпружиненной инерционной массой. Для защиты пластин и противоположных электродов от перегрузки была создана трехслойная конструкция. Заполнение герметичной системы осциллирующих датчиков точно отмеренным количеством воздуха — это очень компактная и недорогая форма демпфирования, которая также имеет низкую температурную чувствительность. Существующие конструкции почти всегда используют процесс сплавления для прямого соединения трех кремниевых пластин. Из-за различного теплового расширения отдельных компонентов они должны быть установлены на кассетную подложку. Это очень важно для точности измерений. Используется практически простой монтаж со свободной опорой в чувствительном диапазоне.
Этот тип датчика в основном используется для обнаружения ускорений низкого уровня (
В настоящее время также используются поверхностно-микромеханические датчики гораздо меньшего размера (типичная длина края 100-500 мкм), которые первоначально применялись для более высоких ускорений (50-100g, в системах защиты пассажиров), но позже стали использоваться и для более низких ускорений. Для создания пружинно-массовой системы на поверхности кремниевой пластины был использован процесс аддитивной печати (рисунок «Датчик ускорения, поверхностно-микромеханический с емкостным отводом»). ).
Основное отличие этих датчиков от объемных кремниевых элементов — типичная емкость в 1 пФ (у первых она составляла 10-20 пФ). Поэтому оценочная электроника создается на одной пластине вместе с датчиком или очень близко к нему на той же подложке или раме. Возможны также электростатические системы обратной связи с контролем положения.
Для более высоких ускорений (в системах защиты людей) используются гораздо меньшие микромеханические поверхностные датчики (типичная длина в диапазоне 100 мкм). Процесс аддитивной печати используется для создания системы пружинных масс на поверхности кремниевой пластины.
РЕКОМЕНДУЮ ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕ:
Пример HTML-страницы
