Акселерометр пьезоэлектрический: Пьезоэлектрические акселерометры ZETLAB

Обычно используются две конфигурации:

Тип сжатия, при котором масса оказывает сжимающее усилие на пьезоэлектрический элемент, и тип сдвига, когда масса оказывает поперечное усилие на пьезоэлектрический элемент.

Большинство производителей на первый взгляд имеют широкий спектр акселерометров, возможно, их слишком много, чтобы сделать выбор легким.

Небольшая группа типов «общего назначения» удовлетворит большинство потребностей. Они доступны с верхними или боковыми разъемами и имеют чувствительность в диапазоне от 1 до 10 мВ или пКл на м / с ² .Типы Brüel & Kj Brr Uni-Gain® имеют свою чувствительность, нормализованную до удобной «круглой цифры», такой как 1 или 10 пКл / мс ^-2 , чтобы упростить калибровку измерительной системы.

Акселерометры CCLD / DeltaTron® или IEPE

CCLD (постоянный ток) или акселерометры IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) — это пьезоэлектрические акселерометры со встроенными предусилителями, которые выдают выходные сигналы в виде модуляции напряжения в линии питания.

Brüel & Kjr IEPE имеют высокую выходную чувствительность, высокое отношение сигнал / шум и широкую полосу пропускания, что делает их пригодными как для общих, так и для высокочастотных измерений вибрации.

Эти акселерометры представляют собой высокопроизводительные приборы с более высокой выходной чувствительностью, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры (без встроенных усилителей). Они герметично закрыты для защиты от загрязнения окружающей среды, имеют низкую восприимчивость к радиочастотному и электромагнитному излучению, а также низкое выходное сопротивление за счет внешнего источника постоянного тока.Низкоомный выход позволяет использовать недорогие коаксиальные кабели для акселерометров.

Многие акселерометры, не относящиеся к универсальному диапазону, имеют характеристики, ориентированные на конкретное применение. Пример; небольшие акселерометры, которые предназначены для измерений высокого уровня или высокой частоты и используются на хрупких конструкциях, панелях и т. д., которые весят прибл. От 0,5 до 2 граммов.

Другие специальные типы оптимизированы для одновременных измерений в трех взаимно перпендикулярных направлениях; высокие температуры; очень низкий уровень вибрации; шоки высокого уровня; калибровка других акселерометров путем сравнения; и постоянный мониторинг промышленных машин.

Чувствительность — это первая обычно рассматриваемая характеристика. В идеале мы хотели бы иметь высокий выходной уровень, но здесь мы должны пойти на компромисс, потому что высокая чувствительность обычно влечет за собой относительно большой пьезоэлектрический узел и, следовательно, относительно большой и тяжелый блок.

В нормальных условиях чувствительность не является критической проблемой, поскольку современные предусилители предназначены для приема этих сигналов низкого уровня. Масса акселерометров становится важной при измерениях на легких тестовых объектах.Дополнительная масса может значительно изменить уровни и частоту вибрации в точке измерения.

Обычно масса акселерометра не должна превышать одной десятой динамической массы вибрирующей части, на которой он установлен.

Если требуется измерить аномально низкие или высокие уровни ускорения, следует учитывать динамический диапазон акселерометра. Нижний предел, показанный на чертеже, обычно определяется не напрямую акселерометром, а электрическим шумом от соединительных кабелей и схемы усилителя.Этот предел обычно составляет всего одну сотую м / с ² для инструментов общего назначения.

Верхний предел определяется структурной прочностью акселерометра. Типичный акселерометр общего назначения имеет линейный диапазон от 50000 до 100 000 м / с ² , что хорошо в диапазоне механических ударов. Акселерометр, специально разработанный для измерения механических ударов, может быть линейным до 1000 км / с ² (100000 g).

Механические системы имеют тенденцию иметь большую часть своей энергии вибрации в относительно узком диапазоне частот от 10 Гц до 1000 Гц, но измерения часто выполняются до 10 кГц, потому что на этих более высоких частотах часто присутствуют интересные составляющие вибрации.Поэтому при выборе акселерометра мы должны убедиться, что частотный диапазон акселерометра может охватывать интересующий диапазон.

Частотный диапазон, в котором акселерометр выдает истинный выходной сигнал, на практике ограничен в низкочастотном диапазоне двумя факторами. Первый — это отсечка низких частот усилителя, который следует за ним. Обычно это не проблема, так как предел обычно значительно ниже одного Гц.

Второй — это влияние колебаний температуры окружающей среды, к которому чувствителен акселерометр.С современными акселерометрами сдвигового типа этот эффект минимален, позволяя проводить измерения с частотой ниже 1 Гц в нормальных условиях.

Верхний предел определяется резонансной частотой системы масса-пружина самого акселерометра. Как показывает опыт, если мы устанавливаем верхний предел частоты равным одной трети резонансной частоты акселерометра, мы знаем, что вибрация, измеренная на верхнем пределе частоты компонента, будет иметь погрешность не более чем на + 12%. .

В небольших акселерометрах с небольшой массой резонансная частота может достигать 180 кГц, но для более крупных и более мощных акселерометров общего назначения типичны резонансные частоты от 20 до 30 кГц.

Поскольку акселерометр обычно имеет повышенную чувствительность на высокочастотном конце из-за его резонанса, его выходной сигнал не будет давать истинного представления о вибрации в точке измерения на этих высоких частотах.

При частотном анализе сигнала вибрации можно легко распознать, что высокочастотный пик возникает из-за резонанса акселерометра, и поэтому игнорировать его. Но если взять общее широкополосное показание, которое включает резонанс акселерометра, это даст неточный результат, если в то же время измеряемая вибрация также будет иметь компоненты в области около резонансной частоты.

Эта проблема решается путем выбора акселерометра с максимально широким частотным диапазоном и использования фильтра нижних частот, который обычно входит в состав измерителей вибрации и предусилителей, для отсечения нежелательного сигнала, вызванного резонансом акселерометра.

Где измерения ограничиваются низкими частотами. высокочастотная вибрация и резонансные эффекты акселерометра, такие как перегрузки электроники, могут быть устранены с помощью механических фильтров. Они состоят из упругой среды, обычно резины, закрепленной между двумя установочными дисками, которая устанавливается между акселерометром и установочной поверхностью.Обычно они снижают верхний предел частоты до 0,5–5 кГц.

Пьезоэлектрические акселерометры

Если вы хотите создать пьезоэлектрический акселерометр, соответствующий вашим конкретным потребностям и спецификациям, вам могут помочь прецизионные компоненты пьезоэлектрического акселерометра. Выбирайте из стандартных вариантов компонентов пьезоэлектрического датчика, а также индивидуальных решений в соответствии с вашими конкретными потребностями.

Независимо от того, нужно ли вам производить большие объемы индивидуальных пьезодатчиков, индивидуальные экспериментальные устройства в небольших количествах или датчики для университетских и частных исследований, важно начинать с правильных типов качественных компонентов.

Принципы работы

Акселерометр — это тип датчика, который измеряет силу, вызванную ускорением датчика. Для наглядности представьте себе деревянный ящик с колесами и бетонным блоком внутри.А теперь представьте, что кто-то щедро толкает эту коробку. Если этот человек толкнет коробку и ускорит ее достаточно быстро, бетонный блок внутри коробки может соскользнуть. Это связано с тем, что и коробка, и бетонный блок имеют инерцию и соответственно сопротивляются изменениям в их движении.

По мере ускорения коробки внутренняя поверхность оказывает сдвигающее усилие на поверхность бетонного блока, тем самым заставляя блок перемещаться вместе с коробкой — если только поперечная сила не превышает максимально допустимую силу трения.Однако, если бы этот блок был прочно приклеен к внутренней поверхности коробки, он никогда бы не скользил независимо от скорости ускорения.

Теперь предположим, что цемент между блоком и внутренней поверхностью коробки заменен пьезоэлектрической пластиной, работающей на сдвиг, для измерения силы сдвига. Соответствующие провода присоединяются от пьезопластины к мультиметру. В этом случае, если вы решите хорошенько подтолкнуть коробку, вы можете заметить изменение показания напряжения.Это изменение показания напряжения соответствует силе сдвига между блоком и коробкой.

Если отбросить метафоры, то, возможно, вы вообразили примитивный и простой пьезоакселерометр. Основной принцип работы любого акселерометра заключается в том, что масса известной величины подвешивается и ограничивается калиброванным датчиком силы. Таким образом, датчик может измерить всю силу, действующую на массу из-за ускорения. В случае пьезоакселерометра сила измеряется с помощью встроенного пьезодатчика.

Типы конфигураций

Часто требования к конструкции требуют, чтобы акселерометр был способен измерять компоненты ускорения в нескольких направлениях. В этом случае несколько гирь и преобразователей встроены в один компактный блок и образуют многоосевой акселерометр. Например, двухосевой пьезоэлектрический акселерометр будет включать в себя два набора масс и пьезодатчики, размещенные вдоль желаемых осей измерения. Они объединены в единый пакет.Точно так же трехосный акселерометр будет включать три набора масс и датчиков, ориентированных и откалиброванных соответствующим образом.

В некоторых приложениях могут даже потребоваться пьезоэлектрические акселерометры для измерения ускорения вращения вокруг одной или нескольких осей. Вам нужен трехосевой акселерометр, который измеряет компоненты линейного и вращательного ускорения по каждой из трех осей (всего шесть измерений)? В APC International есть инженеры, которые могут проконсультировать вас по вопросам разработки такого оборудования.

Пьезоэлектрические акселерометры могут включать или не включать в себя встроенную схему формирования сигнала. Проще говоря, схема формирования сигнала принимает исходное напряжение на выходе пьезодатчиков акселерометра. Затем он преобразует его в более удобный сигнал, который легче обрабатывается приборами.

Схема преобразования сигнала может включать фильтры, усилители, ограничители, ограничители или любую другую комбинацию аналоговых и цифровых схем, необходимую для преобразования необработанного выходного сигнала акселерометра в пригодные для использования форматы.Некоторые люди предпочитают использовать токовые петли в качестве выхода для защиты от помех и обнаружения неисправностей — другие могут предпочесть выходы напряжения с заданными выходными сопротивлениями.

Пьезоэлектрические датчики работают в зарядовом режиме без встроенной обработки сигнала. В режиме зарядки необработанные выходы напряжения с высоким импедансом акселерометра подаются непосредственно по кабелю на соответствующую электронику или контрольно-измерительные приборы.

Преимущества пьезоакселерометра

обладают рядом преимуществ, в том числе:

Частотная характеристика — Пьезоэлектрические датчики имеют широкий частотный диапазон.В конце концов, пьезодатчики используются в самых разных приложениях, от обнаружения низких частот бас-гитары до обнаружения и передачи высоких частот ультразвукового устройства. Это означает, что производительность пьезоэлектрических акселерометров в широком диапазоне частот не превосходит другие акселерометры, представленные в настоящее время на рынке.

Температурная стабильность — Пьезоэлектрические датчики по своей природе стабильны в широком диапазоне температур. Эта характеристика позволяет удобно использовать пьезоакселерометры в приложениях, где конкурирующие технологии быстро выходят из строя.Некоторые из наших пьезоакселерометров могут работать при температурах до 160 C (320 F). Это позволяет устанавливать их непосредственно на многие типы промышленного оборудования без необходимости охлаждения.

Прочность — Наши пьезоакселерометры по своей сути прочны. Это связано с их твердотельной конструкцией и нашим исключительным производственным опытом, приобретенным с момента основания компании в 1986 году.

Адаптивность — Когда вы сообщаете нам о своем предполагаемом применении, наши инженеры приложат все усилия, чтобы вы получили удовлетворительный продукт — продукт, который соответствует или превосходит требования вашего предполагаемого приложения.

Электрические характеристики — Для всех практических целей наши пьезоэлектрические акселерометры выдают линейные и пропорциональные измеренным значениям ускорения напряжения. Это значительно упрощает формирование сигнала и даже позволяет размещать электронику преобразования сигнала на значительном расстоянии от акселерометра. У нас также есть навыки и знания, необходимые для внедрения оборудования для формирования сигналов, чтобы удовлетворить уникальные ожидания клиентов.

Типичные приложения

могут использоваться в различных условиях и в различных условиях, и многие из наших клиентов имеют уникальные приложения.Инженеры APC International могут помочь вам разработать решение, точно соответствующее вашим требованиям. Некоторые распространенные приложения включают:

Датчики детонации двигателя — Производители двигателей постоянно сталкиваются с проблемами, связанными с контролем параметров двигателя. При неправильных обстоятельствах бензиновые двигатели подвержены нежелательному явлению, известному как детонация. Когда происходит детонация, воздушно-топливный заряд взрывается вместо того, чтобы плавно гореть, и это повреждает двигатель.

Исторически сложилось так, что большинство производителей разрабатывали двигатели с консервативными эксплуатационными запасами в ущерб эффективности, чтобы избежать этой печально известной проблемы. Однако с развитием более совершенных систем управления соответствующие параметры двигателя могут быть скорректированы в реальном времени, чтобы максимизировать эффективность и мощность. Если начинает происходить детонация, датчики детонации двигателя могут определить детонацию до того, как она станет проблемной, поэтому системы управления могут внести необходимые корректировки. Наши пьезоакселерометры особенно подходят для датчиков детонации двигателя, учитывая их внутреннюю термическую стабильность и высокую частотную характеристику.

Испытания и мониторинг вибрации — Пьезоэлектрические акселерометры часто используются при анализе вибрации машин. При некоторых обстоятельствах инженеры могут захотеть непрерывно контролировать вибрацию одного или нескольких единиц оборудования, пытаясь предсказать дорогостоящие отказы до того, как они произойдут. В других случаях заказчик может быть обеспокоен минимизацией шума оборудования. Они хотят внедрить мониторинг, чтобы можно было обнаружить чрезмерный шум, прежде чем он станет проблемой.

Мониторинг ударных импульсов подшипников двигателя — Мониторинг ударных импульсов (SPM) подшипников двигателя — относительно недавний метод, применяемый для контроля состояния и смазки подшипников. Каждый раз, когда происходит контакт металла с металлом внутри подшипника во время работы оборудования, при столкновении металлических поверхностей генерируются ударные импульсы.

Здоровые подшипники выдают относительно небольшое количество ударных импульсов большой амплитуды среди множества ударных импульсов низкой амплитуды. Подшипники, срок службы которых близок к завершению, или живущие в «резервное время», выдают большое количество ударных импульсов большой амплитуды.Это связано с тем, что металлические поверхности сталкиваются с большей силой и чаще, чем в случае здорового подшипника.

В типичной установке SPM пьезоэлектрический датчик устанавливается на корпусе подшипника или рядом с ним, и к нему подключается прибор для контроля выходного сигнала. Используя методы цифровой обработки сигналов, можно отслеживать и интерпретировать отношение ударных импульсов большой амплитуды к ударным импульсам низкой амплитуды, чтобы указать на исправность подшипников. При некоторых обстоятельствах промышленные предприятия, на которых используется много вращающегося оборудования, могут выбрать непрерывный мониторинг ударных импульсов.Это позволяет им заранее прогнозировать сбои и избегать дорогостоящих простоев.

Инерциальная навигация — Самолеты, космические корабли, подводные лодки и различные виды вооружения в значительной степени полагаются на инерциальную навигацию, которая позволяет им точно ориентироваться, используя передовые формы точного счисления. Собственная прочность и термическая стабильность наших пьезоэлектрических акселерометров помогут вашей машине удовлетворительно работать в суровых условиях с экстремальными температурами.

Дроны и беспилотные летательные аппараты — Автономные летательные аппараты широко используют акселерометры для контроля их устойчивости и положения.

Испытания на удар — Для испытаний оборудования на удар и удар необходимы надежные и надежные средства измерения продолжительного удара. Часто тесты такого рода повторяются несколько раз, и соответствующие датчики должны выдерживать повторяющиеся злоупотребления. Широкий рабочий диапазон и надежность наших акселерометров делают их идеальными кандидатами для таких приложений.

Система контроля устойчивости транспортного средства — Недавние изменения в стандартах автомобильной безопасности теперь требуют добавления системы контроля устойчивости транспортного средства ко всем легковым автомобилям, производимым для продажи в Соединенных Штатах.Важным для безопасности компонентом любой системы контроля устойчивости является точный и надежный набор акселерометров.

Сейсмические датчики — Сейсмические датчики требуют особо чувствительных и прочных акселерометров, чтобы быть эффективными, поскольку датчики могут быть закопаны под землей в удаленных местах на долгие годы.

Безопасность — В устройствах безопасности часто используются акселерометры для определения движения, сотрясения или ударов по интересующим объектам.

Автоматизация — Для широкого спектра приложений автоматизации требуются акселерометры по разным причинам.

Исследования и разработки — Вы можете использовать пьезоэлектрические изделия для получения технических преимуществ в своей области. Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как наши клиенты проводят исследования и разработки с продуктами APC International.

Начало работы

Наша команда может работать с вами, чтобы удовлетворить ваши требования, график и бюджет. Если вы хотите более подробно обсудить свой пьезопроект или узнать больше о нашем ассортименте пьезодатчиков, свяжитесь с представителем APC International сегодня.Позвоните (570) 726-6961, чтобы поговорить с одним из наших представителей.

загадок о том, как они работают … раскрыты!

Пришло время раскрыть тайну типа акселерометра, который вы обычно используете при испытаниях на вибрацию и удар!

Существует много различных типов акселерометров, но пьезоэлектрические акселерометры являются наиболее популярными для измерения вибрации и ударов.

В этом посте я расскажу, как работают пьезоэлектрические акселерометры, преимущества и недостатки пьезоэлектрических акселерометров по сравнению с пьезорезистивными или емкостными МЭМС, и, наконец, я дам ссылки на то, где вы можете купить эти датчики.Также будут предоставлены дополнительные ресурсы по измерению вибрации и ударов.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические материалы демонстрируют электроупругую связь … то есть они преобразуют часть энергии, связанную с любой внутренней механической деформацией, в восстанавливаемую электрическую энергию и наоборот. По сути, пьезоэлектрические преобразователи преобразуют механическую энергию (при напряжении) в электрический сигнал посредством пьезоэлектрического эффекта.Этот электрический сигнал пропорционален механической деформации пьезоэлемента и, следовательно, он пропорционален вибрации или удару системы.

Конфигурации пьезоэлектрического акселерометра

Активным элементом пьезоакселерометра является пьезоэлектрическая керамика. Одна сторона керамики жестко соединена с корпусом акселерометра, другая сторона имеет добавленную сейсмическую массу. Когда акселерометр подвергается вибрации, создается сила, которая действует на пьезоэлектрический элемент и сейсмическую массу.Из-за пьезоэлектрического эффекта от этой вибрации или удара создается выходной заряд, пропорциональный приложенной силе. В широком диапазоне частот масса датчика и основание датчика имеют одинаковую величину ускорения, поэтому датчик измеряет ускорение корпуса акселерометра.

Существует 3 основных конфигурации датчика: режим сдвига, сжатие и изгиб.

Пьезопластины настроены на деформацию сдвига в результате ускорения (т.е.е. пьезопластины перпендикулярны основанию). Эта конфигурация стала самой популярной, поскольку пьезопластины изолированы от основания, что помогает снизить температурную чувствительность и восприимчивость к деформации основания. Но эта конфигурация обычно имеет относительно низкое отношение чувствительности к массе, что означает, что вам понадобится усилитель заряда.

Режим сжатия

С пьезоэлементом в сжатом состоянии он находится прямо на одной линии с основанием и сейсмической массой выше.Это обеспечивает умеренно высокое отношение чувствительности к массе, но это приводит к эффективной системе пружина-масса между пьезоэлектрическим элементом и основанием. Это может привести к легко полученным ошибочным результатам из-за изгиба основания или теплового расширения. Поэтому эта конфигурация используется редко, за исключением случаев сильных ударов из-за ее надежности.

Пьезоэлектрический трубогиб

Самая простая для понимания конфигурация — это пьезоэлектрический элемент, действующий как консольная балка с массой наконечника.Это обеспечивает наилучшее соотношение чувствительности к массе, настолько, что этот тип акселерометра не требует питания (на самом деле он может обеспечить мощность — см. Сбор энергии). Но эта конфигурация также демонстрирует наивысшую температурную чувствительность, является относительно хрупкой (поэтому многослойные / упакованные пьезоэлектрические преобразователи могут дать преимущество) и, как правило, имеет более низкую резонансную частоту и, следовательно, более низкую полосу пропускания. Таким образом, сейчас они редко используются для точного тестирования, но они дают большое преимущество в качестве датчика без питания, чтобы разбудить основную сенсорную систему.

Пьезоэлектрическая встроенная электроника (IEPE)

Большинство пьезоэлектрических акселерометров имеют встроенную электронную схему для преобразования выходного сигнала с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) пьезоэлектрика в сигнал напряжения с низким импедансом (низкое напряжение, высокий ток). Сейчас это обычное дело, и большинство пьезоэлектрических акселерометров будут иметь встроенную электронику.Преимущества включают:

• Фиксированная чувствительность, не зависящая от длины и качества кабеля
• Не требует дорогостоящих кондиционеров сигнала
• Они более дорогие, но с меньшими затратами на кабели и электронику — общая стоимость испытательной установки на основе акселерометра IEPE составляет менее

Но есть приложения, в которых пьезоэлектрические акселерометры со встроенной электроникой (IEPE) не идеальны, и предпочтительным является выход в режиме заряда:

• Применение при более высоких температурах (IEPE обычно ограничивается до 250 ° F)
• Не требует фиксированного тока возбуждения (или любого источника питания)
• Обеспечивает высочайшее разрешение, но для предотвращения шума требуются специальные кабели.

Обратите внимание, что IEPE и пьезоэлектрик интегральной схемы (ICP®) в основном означают одно и то же, хотя технически PCB Piezotronics имеет торговую марку ICP®.Термины IEPE и ICP фактически стали взаимозаменяемыми в отрасли. Более подробная информация об акселерометрах ICP® для печатных плат доступна здесь.

Многие из основных поставщиков пьезоэлектрических акселерометров проводят более подробные сравнения между режимом зарядки и ICP / IEPE. Вот две хорошие статьи по этой теме, с которыми я столкнулся:

Преимущества пьезоэлектрических акселерометров

на сегодняшний день являются наиболее популярными в промышленных испытательных приложениях.Емкостные МЭМС-акселерометры стали очень популярными во встроенной электронике благодаря своей низкой стоимости и небольшому размеру, но пьезоэлектрики по-прежнему доминируют среди инженеров-механиков, выполняющих испытания на удар и вибрацию. Вот некоторые из их преимуществ:

• Низкий уровень шума
• Широкий диапазон — подходит для испытаний на вибрацию малой амплитуды, а также на удары большой амплитуды
• Превосходная линейность во всем динамическом диапазоне
• Широкий частотный диапазон — их можно настроить с очень высоким резонансом
• Очень популярен, поэтому инженерам доступен широкий спектр опций для настройки выбора датчика в соответствии с конкретным испытательным приложением.

Недостатки пьезоэлектрических акселерометров

Хотя пьезоэлектрические акселерометры очень популярны для испытаний на ударную нагрузку и вибрацию (не зря), они имеют некоторые недостатки. Рисунок 4 представляет собой типичную частотную характеристику пьезоэлектрического акселерометра. При использовании пьезоэлектрического акселерометра вы должны знать, что пьезоэлектрические акселерометры хороши в своем относительно широком диапазоне частот, но на внешних границах они могут испытывать очень большие отклонения.

Спад низких частот

Пьезоэлектрические акселерометры не способны работать по постоянному току.Пьезосу необходимо динамических силы, чтобы воздействовать на него, пьезоэлектрический акселерометр никогда не может напрямую измерить силу, действующую под действием силы тяжести . Низкочастотное опрокидывание пьезоэлектрического акселерометра определяется электронной схемой и может быть настроено таким образом, чтобы вы могли измерять очень низкочастотные (<1 Гц) колебания, например, при сейсмических исследованиях или при больших конструкциях. Но они никогда не смогут измерить уровни статического ускорения - не ожидайте смещения 1g от пьезоэлектрического акселерометра из-за силы тяжести!

Для многих приложений низкочастотные колебания и вектор силы тяжести не представляют особого интереса, и на самом деле может быть полезно, чтобы акселерометр эффективно действовал как фильтр верхних частот.

Резонансное усиление

При резонансе происходит значительное усиление. Как правило, примерно на 1/5 установленной резонансной частоты акселерометр дает положительное 5% отклонение от фактического уровня вибрации. Примерно на 1/3 резонансной частоты акселерометр имеет положительное отклонение 10%. Примерно на 1/2 резонанса отклонение выросло до 3 дБ (положительный 41%). В резонансе усиление обычно составляет 30 дБ (более 30x).

Усиление , которое происходит в резонансе или около него, является значительным и его следует избегать или, по крайней мере, идентифицировать.Когда я предлагал поддержку клиентам наших датчиков enDAQ (ранее известных как регистраторы данных вибрации Slam Stick), которые имеют встроенный трехосный пьезоэлектрический акселерометр, я часто задавал вопросы, на которые можно было ответить с помощью графика, показанного на рис. 4 . Представьте себе следующий сценарий:

У вас может быть тест, в котором истинный уровень ускорения составляет 10g, и вы используете акселерометр 100g — у вас достаточно свободного пространства, чтобы предотвратить срезание! Но … если этот уровень ускорения 10g находится на или около резонансной частоты вашего акселерометра — будьте осторожны! Эта штука будет испытывать и сообщать об ускорении на 300g.Его резонансная частота (или резонанс крепления, которое вы использовали) усиливала уровни ускорения до такой степени, что это делало акселерометр бесполезным.

Усиление из-за резонанса не может быть предотвращено или отфильтровано электронным способом — это чисто результат механической структуры внутри акселерометра и / или связи между ним и вашим испытательным приспособлением — то есть установка тоже имеет значение ! Единственный способ предотвратить это усиление — это а) избегать использования акселерометра с резонансом в частотном диапазоне вашей тестовой среды или б) механически фильтровать частоту с помощью двусторонней ленты, замазки для герметизации воздуховодов или даже виброизоляторов.Некоторые акселерометры также будут доступны с внутренним демпфированием, чтобы уменьшить это усиление при резонансе, но это обычно уменьшает полосу пропускания акселерометра.

Насыщение усилителя заряда

Еще один недостаток усиления, возникающего на высоких частотах и ​​резонансе, заключается в том, что усиление может привести к тому, что акселерометр будет испытывать ударную амплитуду, превышающую диапазон его измерения. Когда уровни входного ускорения (в том числе усиленные механическим резонансом) превышают диапазон измерения датчика — это приведет к насыщению внутреннего усилителя заряда.

На рис. 5 представлены несколько графиков испытаний, проведенных одним из наших инженеров на винтовке AR15 с двумя датчиками enDAQ: один с резистивным акселерометром пьезо , а другой с электрическим акселерометром пьезо . Данные пьезорезистивного акселерометра показали, что уровень удара должен быть «всего» около 500 г. Пьезоэлектрик имел диапазон измерения ± 6000 г, что должно быть достаточно широким, чтобы зафиксировать событие. Но вибрация от выстрела из ружья содержала в себе значительное высокочастотное содержание , которое возбуждало резонанс пьезоэлектрического акселерометра.Это привело к насыщению выходного сигнала акселерометра на его внутреннем усилителе заряда, что привело к экспоненциальному затуханию, которое длилось около одной секунды.