Пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные акселерометры

Акселерометры — это датчики, которые измеряют ускорение объекта, к которому они прикреплены. Они могут определять как линейное ускорение (изменение скорости по прямой), так и гравитационное ускорение (например, наклон устройства относительно земли).

Где используются такие датчики

• Смартфоны и планшеты (для автоориентации экрана, шагомеров, жестов)
• Автомобили (подушки безопасности, системы стабилизации)
• Игровые контроллеры (Nintendo Switch, PlayStation Move)
• Фитнес-браслеты и умные часы (шагомер, мониторинг активности)
• Робототехника и дроны (стабилизация, управление движением)

Они часто используются в сочетании с гироскопами для более точного определения движения и ориентации. Давайте же разбираться как работают эти элементы, их преимущества и недостатки, а также сравним пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные акселерометры.

Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрические материалы обладают уникальной особенностью: они преобразуют механическую энергию деформации в электрический сигнал, пропорциональный этой деформации и, следовательно, ее причине, которой могут быть вибрации или удары. Имеет место и обратная зависимость – пьезоэлектрические материалы деформируются под действием приложенного напряжения. Поэтому они демонстрируют электроупругую связь. За это отвечает пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект

На рисунке показано воздействие внешней силы на пьезоэлектрический материал. В недеформированном материале центры отрицательных и положительных зарядов совпадают. Это означает, что эти частицы электрически нейтральны. Приложение механической силы деформирует материал, что приводит к смещению центров положительных и отрицательных зарядов молекул. В результате на поверхности пьезоэлектрического материала создается множество диполей и появляются заряды. Их количество пропорционально приложенной силе.

Пьезоэлектрики — изоляторы. Но если поместим электроды на противоположных сторонах элемента, изготовленного из пьезоэлектрического материала, и соединим их, то сможем использовать электрическое поле, создаваемое пьезоэлектрическим эффектом, для индуцирования тока.

Активный элемент в данных акселерометрах изготовлен из пьезокерамики. Одна его сторона жестко соединена с корпусом датчика, а другая с сейсмической (инерционной) массой. Когда он подвергается вибрации, его корпус ускоряется под действием внешней силы. Затем инерционная масса, которая в силу своей инерции стремится «отстать», деформирует пьезоэлемент. При этом генерируется электрический заряд, пропорциональный приложенной силе. Под его воздействием масса и основание датчика испытывают одинаковое ускорение, и поэтому он измеряет ускорение своего корпуса. Есть три основные конфигурации пьезоэлектрических акселерометров: сдвиг, сжатие и изгиб.

В режиме сдвига пьезопластины ориентированы так, чтобы подвергаться сдвиговой деформации под действием ускорения, то есть они перпендикулярны основанию. Это самая популярная конфигурация, потому что пьезоэлектрические пластины в данной конструкции изолированы от основания, что делает датчик менее чувствительным к температурным воздействиям и деформации основания. С другой стороны, такая сборка обычно приводит к относительно низкому соотношению чувствительности к весу. Это означает, что необходим усилитель заряда, иначе будет сложно создать компактный и легкий детектор.

Режимы сжатия и изгиба

В режиме сжатия пьезоэлектрик размещается на одной линии с основанием и сейсмической массой. Это обеспечивает умеренно высокое отношение чувствительности к массе, хотя между пьезоэлементом и основанием датчика также создается система пружины и массы, что приводит к ошибкам измерения из-за деформации основания и влияния температуры. Поэтому такая конфигурация используется редко, за исключением измерений сильных вибраций и ударов (из-за ее высокой прочности).

Третья система использует балку из пьезоэлектрического материала с инерционной массой, подвешенной на ее конце. В этом случае достигается наилучшее соотношение чувствительности и веса по сравнению с двумя другими конфигурациями. Акселерометры этого типа не требуют питания. Правда их точность сильно зависит от температуры, они очень чувствительны и имеют низкую резонансную частоту. Поэтому чаще всего используются как датчики без питания, задачей которых является активация основной измерительной схемы.

Преимущества и недостатки пьезоакселерометров

Пьезо-акселерометры очень популярны для измерения вибрации и ударов в промышленности. Их основными преимуществами являются: низкий уровень выходного шума, широкий диапазон измерений – они подходят как для измерения малоамплитудных вибраций, так и мощных ударов, линейность характеристики во всем динамическом диапазоне, широкий частотный диапазон и универсальность, благодаря которой можно выбирать из широкого спектра акселерометров, представленных на рынке.

С другой стороны, пьезоэлектрические акселерометры не измеряют статическое ускорение (не измеряют силу, создаваемую гравитацией). Они не могут измерять вибрации ниже нескольких герц. Еще одной проблемой выступает сильное нежелательное усиление, которое необходимо учитывать при возникновении резонанса.

Обычно уже на уровне около 1/5 резонансной частоты показания акселерометра имеют положительное отклонение в 5% от фактического уровня вибрации. Примерно на 1/3 резонансной частоты оно увеличивается до 10%. На половине резонансной частоты достигает 3 дБ (положительное отклонение 40%). А при резонансе усиление достигает 30 дБ, то есть показания искажаются более чем в 30 раз.

Эффекты подкрепления

Например, если фактическое ускорение составляет 10 g, но частота вибрации близка или равна резонансной частоте акселерометра, измеренный результат может достигать 300 g. Понятно что это делает датчик бесполезным в данном случае применения.

Кроме того, нежелательное усиление может привести к тому что акселерометр будет испытывать ударную амплитуду, превышающую его диапазон измерений. Когда уровни входного ускорения, в том числе усиленные механическим резонансом, превышают диапазон измерения датчика, может произойти насыщение внутреннего усилителя заряда.

Резонансное усиление невозможно предотвратить или отфильтровать электронным способом — оно является результатом особой конструкции акселерометра или связи между ним и креплением в измерительной системе. Правильная установка в этом случае имеет решающее значение. Во избежание ложных показаний не используйте акселерометры с резонансной частотой в диапазоне частот измеряемой величины или применяйте виброизоляторы. Также доступны акселерометры с внутренним демпфированием, но это обычно сужает их полосу пропускания.

Ёмкостные акселерометры

Когда речь идет об акселерометрах МЭМС, обычно имеем в виду емкостные, хотя эта технология также может быть успешно использована для производства пьезорезистивных датчиков. Емкостные МЭМС-акселерометры работают по принципу измерения влияния ускорения на емкость конденсатора с тремя или более электродами, один из которых подвижен.

Благодаря низкой стоимости и небольшим размерам эти детекторы доступны в корпусах для поверхностного монтажа, что делает их распространенными в портативных устройствах.

Емкостные МЭМС-акселерометры лучше всего подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и стационарного ускорения. Но они имеют плохое отношение сигнал/шум, ограниченную полосу пропускания и диапазон измерений, в основном ограниченный низкими значениями ускорения (менее 200 g). Зато очень дешевы и просты в использовании, поэтому и стали популярными.

Пьезорезистивные акселерометры

В пьезорезистивных измерительный элемент деформируется под действием внешней силы, что приводит к изменению сопротивления. Они имеют очень широкую полосу пропускания, что позволяет использовать их для измерения кратковременных ударов. Кроме того, они выполняют измерения с точностью до нуля герц, поэтому их можно использовать для получения точной информации о скорости или смещении.

С другой стороны, имеют очень низкую чувствительность, что делает их менее полезными для точного измерения вибрации. Пьезорезистивные акселерометры также чувствительны к изменениям температуры, поэтому требуется температурная компенсация. Имеются датчики, в которых температурная компенсация осуществляется изнутри. Они намного дороже емкостных МЭМС-акселерометров. Как правило, они являются наилучшим выбором для измерений пульса/биений, где частоты и амплитуда обычно высоки. К примерам можно отнести краш-тесты автомобилей.

Применение различных типов акселерометров

Какой лучше выбрать

• Для статических измерений ускорения (0 Гц, 1 g), например для измерения силы тяжести и определения ориентации датчика, лучше всего подходят емкостные и пьезорезистивные. При определении перегрузки (0 Гц, < 25 g), например, в ракетах и ​​самолетах, рекомендуются оба типа акселерометров. При измерениях на частотах ниже 1 Гц и ускорениях, не превышающих 1 g (землетрясения, волны), используются пьезоэлектрические датчики.
• Для низкочастотных вибраций (<5 Гц, <25 g), которые сопровождают движение человека и возникают в робототехнике, все три типа акселерометров будут работать хорошо. Пьезоэлектрические и емкостные МЭМС-датчики обычно используются для измерения вибраций в электродвигателях и автомобильных подвесках (от 5 Гц до 500 Гц, <25 g).
• Измерения высокочастотной вибрации (>500 Гц, <25 g), используемые для обнаружения причин шума зубчатых передач и контроля состояния турбин, являются областью применения пьезоэлектрических акселерометров. Все описанные типы датчиков подойдут для измерений на частотах, не превышающих 100 Гц, и ускорениях менее 200 g, например, при испытании амортизаторов.
• Для сильных ударов (<250 Гц, >200 g), например, при испытаниях на падение, наилучшим выбором являются пьезоэлектрические или пьезорезистивные. Они также предпочтительны при измерении экстремальных ударов (>1000 Гц, >2000 g), например, при краш-тестах автомобилей.

В общем каждому находится своё применение, и тут просто надо учитывать кто с чем лучше справляется.