Акселерометр: устройство, типы и применение¶

Акселерометр — это датчик (преобразователь) линейного ускорения, измеряющий проекцию вектора ускорения на свою чувствительную ось и преобразующий механическое ускорение в электрический сигнал. Акселерометры применяются в промышленной автоматике, автомобилестроении, авиации и космосе, медицинской диагностике, сейсмографии и потребительской электронике. Сокращение «АКЗ» в контексте измерительной техники чаще всего расшифровывается как «акселерометрический контроль качества» или как обозначение конкретных серий акселерометров советского и российского производства (например, типов АКЗ-1, АКЗ-2), применявшихся в системах виброконтроля и испытательном оборудовании.

¶Принцип работы

Акселерометр основан на законе Ньютона: при ускорении корпуса датчика внутренняя тестовая масса (инерциальный груз) стремится отстать от корпуса, создавая силу, пропорциональную произведению массы на ускорение. Эта сила преобразуется в электрический сигнал различными способами — в зависимости от типа преобразования. Современные микроэлектромеханические акселерометры (МЭМС-акселерометры) изготавливаются методами кремниевой микрообработки, что позволяет размещать чувствительный элемент, электронику и корпус в чипе размером в несколько миллиметров.

¶Классификация

По физическому принципу преобразования акселерометры делятся на:

• Пьезоэлектрические — наиболее распространённый тип, в котором деформация пьезоэлемента под действием тестовой массы генерирует электрический заряд. Отличаются широким диапазоном измеряемых частот (от единиц до десятков кГц) и применяются в виброконтроле машин и конструкций.
• Пьезорезистивные — изменение сопротивления пьезорезисторов при деформации подложки. Просты в изготовлении, широко используются в МЭМС-датчиках.
• Ёмкостные — изменение ёмкости между подвижной и неподвижной пластинами конденсатора. Отличаются низким энергопотреблением и высокой чувствительностью.
• Индуктивные и магнитоиндуктивные — изменение индуктивности катушки при перемещении ферромагнитного груза.
• Оптические — измерение смещения массы по изменению интенсивности светового потока или интерференционной картины.
• Пьезоэлектрические керамические — на основе титаната бария или цирконата титаната свинца (ПЗТ), характерны для советских конструкций.

По типу измеряемой величины различают одноосные, двухосные и трёхосные акселерометры. По диапазону измерений — низкочастотные (от 0,1 Гц, для сейсмики и строительных конструкций) и высокочастотные (до 20 кГц и выше, для испытаний машин). По способу установки — с креплением на болтах, на магните, на клеевой основе или интегрированные в печатную плату.

¶Акселерометры советского и российского производства

В СССР была разработана и серийно выпускалась обширная линейка акселерометров для промышленного виброконтроля и испытаний. Наиболее известны серии:

Акселерометры АКЗ-серии выпускались на предприятиях приборостроения СССР (в частности, на заводах в Ленинграде и Москве) и применялись в системах непрерывного контроля вибраций энергетического оборудования на электростанциях. Характерная черта конструкции — герметичный титановый или нержавеющий корпус, пьезоэлемент из сегнетокерамики и встроенный преобразователь сопротивления для передачи сигнала на расстояние до сотен метров по кабелю.

¶Применение

¶Промышленный виброконтроль

Основная область применения акселерометров АКЗ-типа — непрерывный мониторинг вибраций вращательных машин: турбин, генераторов, компрессоров, насосов, вентиляторов. Повышение амплитуды вибрации сверх допустимого уровня сигнализирует о дисбалансе, износе подшипников, разуплотнении лопаток или других дефектах, что позволяет планировать ремонт до аварийного отказа.

¶Автомобильная промышленность

МЭМС-акселерометры являются обязательным элементом систем пассивной безопасности: подушек безопасности, преднатяжителей ремней, электронной стабилизации. Каждый современный автомобиль оснащён десятками подобных датчиков.

¶Потребительская электроника

Акселерометры встроены в смартфоны, планшеты и носимые устройства — они отвечают за поворот экрана, шагомер, определение положения в пространстве и активацию функций по жестам.

¶Наука и медицина

Сейсмографы используют высокочувствительные акселерометры для регистрации подземных толчков. В медицине миниатюрные датчики применяются для мониторинга активности пациентов, диагностики нарушений равновесия и в исследованиях сна.

¶Авиация и космос

Акселерометры служат элементами инерциальных навигационных систем: они измеряют перегрузки летательного аппарата, что в сочетании с гироскопами позволяет вычислять скорость и положение без внешних сигналов. В космической технике используются специализированные акселерометры сверхвысокой точности — например, для гравитометрических измерений на орбите.

¶Основные характеристики

При выборе акселерометра учитывают:

• Диапазон измерений — от долей g (гравиметрия) до сотен и тысяч g (испытания на прочность);
• Частотный диапазон — от 0,1 Гц до 20 кГц и выше;
• Чувствительность — обычно выражается в милливольтах на единицу ускорения (мВ/g);
• Нелинейность и гистерезис — определяют точность измерений;
• Рабочий температурный диапазон — от −60 °C до +250 °C для промышленных исполнений;
• Масса и габариты — критичны для испытаний лёгких конструкций, где сам датчик не должен заметно влиять на динамику объекта.

Исторически сложилось так, что отечественные акселерометры АКЗ-типа уступали зарубежным аналогам по массогабаритным характеристикам, но были надёжны в полевых условиях и ремонтопригодны, что обеспечивало их широкое распространение на советских и российских предприятиях.

Источники:

• Мастеров В. П. «Измерение вибраций: теория и практика»
• Фролов В. А., Савенков И. А. «Вибрационный мониторинг машин»
• ГОСТ 23213-78 «Датчики виброизмерительные. Общие технические условия»
• ГОСТ 8.364-78 «СИС. Датчики ускорения. Методы и средства поверки»
• Справочник «Промышленная автоматика: датчики и преобразователи», под ред. Ю. М. Шиманского