Принцип дії і пристрій датчика вимірювання прискорення розглянемо на прикладі пружинного акселерометра, як чутливий елемент якого застосовується інерційна маса.
Принцип дії пружинного акселерометра з інерційним чутливих елементів заснований на використанні інерційних сил або моментів, що виникають при русі тіла певної маси з прискоренням. Залежність інерційної сили F, що діє на тіло, маса якої дорівнює m при наявності ускореніяa. як відомо, визначають за другим законом Ньютона:
Датчики з інерційними чутливими елементами застосовують також для вимірювання вібрації, кутової швидкості обертання і т.д.
Чутливим елементом акселерометра служить інерційна маса 1, підвішена на двох пружинах 2, прикріплених в точках А і В до корпусу 3, жорстко пов'язаного з об'єктом, що рухається.
Лінія АВ є віссю чутливості акселерометра. Вона паралельна тій осі рухомого об'єкту, по якій потрібно виміряти прискорення х.
При відсутності прискорень натяг пружин однаково і маса розташовується в середньому (нейтральному) положенні. Якщо об'єкт рухається з постійним лінійним прискоренням х, то маса переміщається на деяку величину, при якій інерційна сила Рін, що виникає внаслідок прискореного руху маси в абсолютному просторі, врівноважується силою Руприх пружності пружин.
Для заспокоєння коливань інерційної маси в перехідному режимі служить демпфер 4, що створює силу, пропорційну швидкості переміщення маси щодо корпусу 3. Застосовують магнітоіндукційні, рідинні або повітряні демпфери.
Вимоги до акселерометра щодо точності вимірювання визначаються областю застосування. Так, похибки акселерометрів в інерційних системах не повинні перевищувати 0,001%. Акселерометри, які використовуються в системах управління, мають похибки на два-три порядки вище. Похибки акселерометрів, що застосовуються в якості візуальних приладів, складають 1 ÷ 3%.
Ще однією сферою застосування акселерометрів є їх застосування в якості датчиків вимірювання перевантаження, що діє на літак в певному напрямку.
Перевантаженням називається відношення поверхневої сили F, що діє в напрямку будь-якої осі літака, до сили ваги G. До поверхневих силам відносяться підйомна сила, сила опору і сила тяги. Розрізняють перевантаження нормальну (поперечну), що дорівнює відношенню підйомної сили до сили ваги, поздовжню і бічну.
Перевантаження - величина безрозмірна. Іноді кажуть, що перевантаження дорівнює, наприклад, 5g. Це означає, що в даному напрямку на літальний апарат і знаходяться в ньому членів екіпажу діє сила, в п'ять разів перевищує силу ваги. Виходячи з визначення поняття перевантаження, слід говорити про перевантаження, що дорівнює 5, а не 5g.
Найбільше значення для пілотування ВС відіграє вертикальна перевантаження.
Сигнали акселерометрів використовуються також в інерційних навігаційних системах для обчислення швидкостей і координат, в системах управління польотом і двигунами, а також для індикації поточного і критичного значень перевантаження.
Акселерометри, які застосовуються в системах управління, орієнтуються своїми осями чутливості по головних осях літа ного апарату. Такі акселерометри вимірюють складові вектора прискорення по цих осях, а для отримання повного вектора необхідно мати три акселерометра.
У інерційних системах навігації осі чутливості акселерометрів орієнтуються по осях навігаційної системи координат, звичайно пов'язаної з Землею. Як навігаційної системи координат може бути взята, наприклад, географічна система, одна з осей якої направлена по меридіану, а друга вісь перпендикулярна до першої в горизонтальній площині. При цьому два акселерометра з взаємно перпендикулярними осями, розташованими в горизонтальній площині, вимірюють горизонтальні складові вектора прискорення, а один акселерометр, вісь чутливості якого спрямована по вертикалі, вимірює вертикальне прискорення.
Основними елементами акселерометрів є підвіси інерційних мас (чутливих елементів), датчики сигналів переміщення маси, моментні (силові) пристрої, що забезпечують введення сигналів зворотного зв'язку, підсилювачі сигналів і коригувальні пристрої (демпфери).
Для того щоб акселерометр реагував тільки на ту складову прискорення, для вимірювання якої він призначений, його інерційна маса повинна мати спеціальний підвіс, що задовольняє наступним вимогам:
- мінімальне тертя в осях підвісу;
- відсутність перехресних зв'язків між вимірювальними осями;
- забезпечення лінійної залежності між відхиленнями інерційної маси і вимірюваним прискоренням.
Підвіси на простих опорах створюють значне тертя, яке знижує чутливість акселерометра. Для зменшення тертя чутливий елемент зміцнюють на важелі або поміщають в рідину з питомою вагою, рівним питомій вазі чутливого елемента.
Перспективними є електромагнітні і криогенні підвіси.
Для перетворення переміщень в електричні сигнали в акселерометрах застосовуються потенціометричні, індуктивні, ємнісні, фотоелектричні іструнние перетворювачі.
Основні вимоги до перетворювачів наступні:
1) велика роздільна здатність;
2) лінійна залежність виходу від входу;
3) відсутність реакції перетворювача на чутливий елемент.
Цим вимогам не задовольняють потенциометрические датчики, тому в точних приладах вони не застосовуються.
Як моментних (силових) пристроїв в акселерометрах для введення сигналів зворотних зв'язків застосовуються моментні двигуни (електродвигуни, що працюють в загальмованому режимі) і електромагнітні пристрої.
Для отримання акселерометрів з необхідними частотними характеристиками в ланцюгах зворотного зв'язку застосовують коригувальні фільтри і спеціальні демпфери. У приладах з рідинним підвісом для демпфірування використовується в'язкість самої рідини.
Як приклад розглянемо однокомпонентний акселерометр.
На схемі рис. 11.2 сейсмічна маса 1 підвішена на направляючої 4. Для зменшення тертя об напрямну маса 1, вміщена в рідину 3, має нейтральну плавучість, що виключає сильне притиснення до направляючої. Сигнали в розглянутій схемі, пропорційні переміщення сейсмічної маси, вимірюються індуктивним датчиком 6. Після посилення в підсилювачі 5 сигнал надходить на електромагнітний (силовий) привід 7. Вихідним сигналом акселерометра є падіння напруги і на опорі R, включеному послідовно в ланцюг обмотки силового приводу. Демпфірування в приладі виходить за рахунок опору при русі сейсмічної маси в рідини.
Мал. 11.2. Схема однокомпонентного акселерометра:
1 - інерційна маса; 2 - корпус; 3 - рідина; 4 - направляючий стержень; 5 - підсилювач; 6 - індуктивний датчик переміщення; 7 - електромагнітний привід
У акселерометрах розглянутого типу можна отримати високу власну частоту і малу зону нечутливості. Останнє досягається зменшенням сил тертя за рахунок зважування інерційної маси в рідини. Для збереження сталості характеристик акселерометра необхідно підтримувати температуру рідини постійної, що досягається термостатуванням.