У статті розглянуті методи оцінки джиттера в каналі передачі. Відзначено переваги та недоліки кожного підходу.
Розробники стикаються з певними труднощами при реалізації термочутливих функцій у вбудованих системах за допомогою термісторів, резистивних датчиків температури і термопар. У статті розглядаються ключові критерії розробки кожного з таких рішень, які порівнюються з напівпровідниковими датчиками температури. Обговорюється створення гнучких і економічних систем по термоуправленію, використання вбудованих функцій, що дозволяють поліпшити характеристики систем.
У пошуках акселерометра для певної програми не тільки новачки, але і досвідчені користувачі можуть прийти в замішання при вивченні каталогу виробників акселерометрів або веб-сайту. Описаний в даній статті метод дозволить розробнику зорієнтуватися у вирі опцій і вибрати оптимальний акселерометр для свого застосування. Публікація є переклад [1].
На першому етапі процесу вибору необхідно визначити тип передбачуваних вимірів. Для вимірювання за допомогою акселерометра використовуються три відомі технології.
П'єзоелектричні акселерометри (ПЕА) - найбільш широко застосовуються пристрої в додатках з тестування та вимірювань. Ці пристрої працюють в дуже широкому діапазоні частот (від декількох Гц до 30 кГц) і мають різну чутливість, вага, розміри і форму. ПЕА мають зарядовий вихід або вихід по напрузі і застосовуються для вимірювання вібрацій та ударів.
П'єзорезистивного акселерометри (ПРА), як правило, мають дуже низьку чутливість, тому використовуються для вимірювання ударного прискорення і в меншій мірі - при вимірюванні вібрацій. Їх також широко застосовують у випробуваннях на ударну міцність при зіткненні з перешкодою. ПРА функціонують в широкій смузі частот (від декількох сотень Гц до більш ніж 130 кГц), при цьому їх амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) може починатися від 0 Гц (т.зв. DC-датчики) або залишатися незмінною, що дозволяє вимірювати сигнали великої тривалості.
Ємнісні акселерометри (ЕА) відносяться до пристроїв із застосуванням новітніх технологій. Як і у п'єзорезистивних акселерометрів, їх АЧХ починається від 0 Гц. Такі акселерометри мають високу чутливість, вузьку смугу пропускання (15 ... 3000 Гц) і високу температурну стабільність. Похибка чутливості в діапазоні робочих температур до 180 ° C не перевищує 1,5%. ЕА використовуються для вимірювань низькочастотних вібрацій, руху і сталого прискорення.
Перш ніж ми обговоримо технології та особливості їх застосування, дамо кілька визначень загального характеру.
АЧХ - це залежність електричного вихідного сигналу акселерометра від зовнішнього механічного впливу в частотному діапазоні з фіксованою амплітудою. Це один з основних параметрів, від якого залежить вибір того чи іншого компонента. Діапазон частот зазвичай визначається серією експериментів і вказується в специфікації. Як правило, цей параметр вказується з точністю до ± 5% від опорної частоти (100 Гц).
Багато компонентів специфіковані на ± 1 дБ, а в деяких випадках - на ± 3 дБ. Ці значення визначають точність акселерометра в заданому частотному діапазоні. У багатьох технічних описах представлені типові графіки АЧХ, які ілюструють, як змінюється точність компонента в зазначених частотних діапазонах.
Іншим важливим параметром акселерометра є число осей вимірювання. В даний час випускаються пристрої з одного і трьома вимірювальними осями. В альтернативному варіанті створення тривісною системи три акселерометра встановлюються в один вимірювальний блок. Обидва методи дозволяють проводити вимірювання одночасно за трьома ортогональних осях.
П'єзоелектричні акселерометри є найкращим вибором при вимірюванні вібрацій в більшості додатків завдяки широкій частотній характеристиці, гарної чутливості, високої роздільної здатності і простоті установки. Залежно від типу вихідного сигналу, вони поділяються на пристрої з зарядовим виходом і акселерометри з вбудованим перетворювачем сигналу (Internal Electronic Piezoelectric - IEPE) з виходом по напрузі.
Останнім часом широко використовуються IEPE-акселерометри, оскільки вони зручні в застосуванні. Незважаючи на різноманітність торгових марок і модифікацій, всі виробники цих пристроїв доходять спільної (але не затвердженого) промислового стандарту, і тому акселерометри взаємозамінні. Зазвичай до складу IEPE-акселерометра входить підсилювач заряду, завдяки чому не потрібні додаткові зовнішні компоненти і використовується недорогий кабель. Для підключення акселерометра необхідне джерело постійного струму. Для вимірювання вібрацій у відомому діапазоні і в межах робочих температур -55 ... 125 ° C (до 175 ° C для високотемпературних моделей) рекомендується використовувати п'єзоелектричні акселерометри IEPE-типу.
Переваги акселерометрів з зарядовим виходом проявляються в можливості роботи при високих температурах і в надзвичайно широкому діапазоні амплітуди, який по більшій мірі визначається настройками підсилювача заряду (акселерометри IEPE-типу мають фіксований діапазон амплітуди). Типовий робочий діапазон температур акселерометрів з зарядовим виходом становить -55 ... 288 ° C, а спеціалізовані пристрої можуть працювати в більш широкому діапазоні: -269 ... 760 ° C.
На відміну від IEPE-акселерометрів, датчики з зарядовим виходом вимагають спеціальних малошумливих кабелів, ціна яких значно перевищує ціну стандартних коаксіальних кабелів. Для підключення датчиків потрібні підсилювачі заряду або вбудовані лінійні перетворювачі заряду. Таким чином, ємнісні акселерометри кращі для високотемпературних (вище 175 ° C) вимірювань або у випадках, коли вимірюються невідомі заздалегідь високі прискорення.
У додатках, де потрібно вимірювати вібрації дуже малої частоти, рекомендується використовувати ємнісні акселерометри. Їх АЧХ змінюється в діапазоні 0 Гц ... 1 кГц, в залежності від необхідної чутливості. При проведенні вимірювань НЧ-вібрацій ємнісний акселерометр забезпечує чутливість 1 В / г. Такі датчики незамінні в електрогідравлічних шейкерах, в автотранспортних додатках, в тестових випробуваннях машин і конструкцій, в системах підвіски, залізничному транспорті.
Ємнісні акселерометри служать для вимірювання малих низькочастотних коливань, видаючи досить великий вихідний сигнал. Ці пристрої забезпечують високу стабільність в широкому діапазоні робочих температур.
При положенні ємнісного акселерометра, в якому його вісь чутливості паралельна напрямку вектора гравітації, вихідний сигнал дорівнює зусиллю в 1 м Це явище носить назву «DC-відгук». Завдяки такій особливості ємнісні акселерометри часто використовуються для вимірювання відцентрової сили або прискорення вантажопідйомників.
Ємнісні акселерометри застосовуються для вимірювання НЧ-вібрацій, повідомляючи дані про фазу. Крім того, ці датчики з успіхом використовуються для вимірювання детонацій в автотранспорті та залізничної техніки завдяки хорошим НЧ-характеристикам.
Таблиця 1. Стандартні значення температури акселерометрів
У динамічних характеристиках п'єзоелектричних акселерометрів зарядового типу не вказано робочий діапазон, тому що він багато в чому залежить від підсилювача заряду. У розділі динамічних параметрів вказана лінійність амплітудної характеристики. Як і в попередньому випадку, максимальний діапазон вимірювань в певних умовах експлуатації характеризує граничну навантажувальну здатність акселерометра.
Для роботи датчиків в умовах вологого середовища застосовуються різні типи корпусів, які забезпечують герметичність пристроїв. Якщо акселерометри використовуються в космічних апаратах, під водою або піддаються тривалому впливу критично вологого середовища, рекомендується герметична закладення корпусу. Однак безперервне зміна температурних умов може порушити епоксидну ізоляцію корпусу датчика.
Оскільки сучасні технології виробництва акселерометрів використовують немагнітні матеріали, магнітна чутливість рідко вказується в специфікації на компоненти.
Якщо датчик призначений для роботи на гнучкій поверхні, необхідно встановити параметри вигину його заснування. Вигин поверхні може привести до помилкового спрацьовування датчика, тому в таких випадках слід уникати застосування компресійних акселерометрів.
При контакті акселерометра з об'єктом вимірюється прискорення змінюється. Вплив цього ефекту можна частково уникнути, якщо оптимізувати вагу датчика. Відповідно до емпіричним правилом слід прагнути до того, щоб вага акселерометра перевищував вага об'єкта випробувань не більше ніж на 10%.
Існує ряд методів установки акселерометра першому почуттю пристрій. Перерахуємо деякі з найбільш поширених.
Гвинтове кріплення датчика до поверхні об'єкту забезпечує найкращу можливість передачі даних на високих частотах, тому що акселерометр утворює єдине ціле з випробовуваним пристроєм. Характеристику датчика в області високих частот можна поліпшити, капнув трохи масла між ним і об'єктом. При виборі такого методу слід купувати датчик з можливістю кріплення до поверхні.
Клейовий монтаж датчика часто виконується на поверхнях з невеликою площею і на друкованих платах. Як адгезиву переважно використовувати ціанакриловий клей, оскільки його в разі потреби легко видалити. Багато акселерометри спеціально призначені для клейового монтажу, що вказується в технічних даних. Датчик з гвинтовим кріпленням також можна встановити на поверхню контрольованого об'єкта за допомогою клею, однак слід подбати про те, щоб клей не потрапив в різьбові отвори.
Питання про заземлення набуває великого значення в тих випадках, коли поверхня вимірюваного об'єкта є провідною і має нульовий потенціал. Різниця в значеннях напруги землі між електронним обладнанням та акселерометром може привести до утворення заземлюючого контуру і появи даних з помилками.
Пропоновані на ринку акселерометри мають розв'язку по земляний ланцюга або заземлений корпус. У акселерометрів з земляний розв'язкою, як правило, є ізольоване монтажне підставу і, якщо це можливо, - ізольований кріпильний гвинт. У деяких випадках весь корпус акселерометра має розв'язку по земляний ланцюга.
У разі якщо в певному додатку потрібні акселерометри з малим вихідним сигналом або широким динамічним діапазоном, такі параметри як дозвіл і чутливість стають вирішальними.
Акселерометр перетворює механічну енергію в електричний сигнал, який виражається в одиницях мВ / г або в пКл / г (для датчиків з зарядовим виходом). Лінійка акселерометрів представлена кількома моделями з різною чутливістю, оптимальне значення якої залежить від рівня вимірюваного сигналу. Наприклад, при вимірюванні сильних ударних коливань застосовуються датчики з низькою чутливістю.
При вимірі малих сигналів кращим рішенням є використання акселерометра з високою чутливістю, вихідний сигнал якого вище рівня шуму підсилювача. Наприклад, якщо рівень вібрації становить 0,1g, а чутливість датчика - 10 мВ / g, вихідна напруга дорівнює 1 мВ, і буде потрібно акселерометр з більш високою чутливістю.
Дозвіл характеризує мінімально помітний сигнал акселерометра. Цей параметр визначається рівнем власних шумів акселерометра, а в разі IEPE-акселерометра - і рівнем власних шумів вбудованого перетворювача сигналу - і виражається в grms.
Наведені вище відомості дозволяють прийняти попереднє рішення щодо того, які акселерометри здатні виконати ту чи іншу задачу по вимірюванню. Однак існують і інші не менш важливі параметри, які слід обговорити з постачальниками. До числа цих параметрів відносяться наступні:
- формування сигналу і електроживлення;
- відносна поперечна чутливість;
- температурна характеристика;
- тип кабелю.
Подальші питання, що виходять за рамки цієї статті, слід обговорити з виробником.