eng
Выпуск #2/2018
В. Зинченко, Н. Каширин, В. Шелехов, А. Дайнеко, А. Мыльников
Акселерометр – сейсмодатчик СД-1Э и его особенности
Акселерометр – сейсмодатчик СД-1Э и его особенности
Просмотры: 3402
В АО "НИИ "Элпа" разработан трехкоординатный акселерометр-сейсмодатчик СД-1Э с чувствительным эле-ментом на основе пьезокерамики. Устройство, утвержденное как тип средств измерений, функционирует в диа-пазоне частот от 0,1 до 40 Гц. Точность измерений составляет ±5%, допускает однополярное (бортовое) пита-ние в диапазоне 7–24 В.
УДК 531.768 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.173.2.138.141
УДК 531.768 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.173.2.138.141
Теги: accelerometers navigation positioning systems perimeter security systems акселерометры-измерители ускорений навигационные системы позиционирования системы охраны периметров
В АО «НИИ «Элпа» разработан трехкоординатный акселерометр-сейсмодатчик СД 1Э с чувствительным элементом на основе пьезокерамики. Устройство, утвержденное как тип средств измерений, функционирует в диапазоне частот от 0,1 до 40 Гц, точность измерений составляет ±5%, допускает однополярное (бортовое) питание в диапазоне 7–24 В. По желанию заказчика есть возможность несложной доработки для изменения характеристик.
Акселерометры-измерители ускорений, работающие на основе прямого пьезоэффекта [1], нашли широкое применение в различных областях науки и техники [1–3], в частности:
• в качестве первичных преобразователей в сейсмо- и виброизмерительных системах и комплексах;
• системах мониторинга зданий, метро и др.;
• системах охраны периметров, окружающих объекты, от несанкционированного проникновения (АЭС, путепроводы, газопроводы, ЛЭП и др.);
• навигационных системах позиционирования (необитаемые подводные аппараты, беспилотные летательные объекты и др.).
Акселерометры-измерители ускорений отличаются разнообразием конструкций в зависимости от их назначения – сейсмодатчики, вибродатчики, датчики удара и др. Основной принцип работы устройств – преобразование механического воздействия (или ускорения) в электрический сигнал.
В АО «НИИ «Элпа» разработан и запущен в производство акселерометр-сейсмодатчик СД 1Э, размещенный в корпусе из алюминиевого сплава (рис. 1), его характеристики приведены в табл. 1. По желанию заказчика большую часть характеристик можно изменить.
Остановимся на конструкции СД 1Э подробнее. Основа датчика – чувствительный элемент (ЧЭ), в котором механическое воздействие преобразуется в электрический сигнал, удобный для обработки и анализа. В нашем случае таковым является ЧЭ, в конструкции которого предусмотрена поляризованная пьезокерамика ЦТС 19. Наиболее широкое распространение получили два основных вида конструкции таких ЧЭ:
• осевая конструкция [3] (она же компрессионная [1]) на основе пьезокерамического элемента (п / э), работающего по принципу деформации растяжение-сжатие. Такие ЧЭ отличаются высокой механической прочностью, как правило, избыточной для сейсмодатчиков, но малой чувствительностью к воздействующему на ЧЭ ускорению;
• изгибная конструкция на основе биморфного п / э, работающего по принципу деформации изгиба [1, 3]. Наибольшее распространение получили два типа таких п / э – дисковый и стержневой (балочный), каждый может быть собран из двух обычных п / э путем их склеивания и электрического соединения электродов параллельно или последовательно [1, 3]. Изгибные ЧЭ от осевых отличаются более высокой чувствительностью к механическому воздействию и существенно меньшей механической прочностью (как правило, достаточной для сейсмодатчиков).
Следует отметить, что биморфные п / э обладают свойством существенно (по данным экспериментальных исследований, на порядок и более) снижать влияние паразитного пироэффекта на результат измерения [4].
Было принято решение использовать в конструкции ЧЭ биморфные пьезокерамические элементы.
Кроме того, в ходе анализа и экспериментальных исследований было установлено, что при прочих равных условиях балочная конструкция биморфа отличается существенно меньшими габаритами по сравнению с дисковой, большими перспективами их миниатюризации и более проста в изготовлении. Это нашло отражение в дальнейших разработках с использованием в ЧЭ пьезокерамических элементов, изготовленных по технологии литья пьезокерамической пленки [4].
В то же время, помимо ряда положительных свойств (некоторые из них описаны выше), существуют недостатки, присущие прежде всего биморфам. Одним из недостатков является неуправляемое создание «паразитных ребер жесткости» в процессе изготовления.
Например, в ходе поляризации п / э, выполнения других технологических операций возникает изгиб плоскости, который превращает его форму в «совок» или мост, укрепленный ребрами жесткости, не позволяющими прогибаться. Такое неуправляемое и неучтенное «упрочнение» биморфа, а с ним и ЧЭ, приводит к неуправляемому уменьшению его деформации в ходе работы и, как следствие, снижению уровня чувствительности. На практике этот эффект, как показали экспериментальные исследования, может снизить коэффициент преобразования на 10% и более. Это один из основных эффектов, приводящих к технологическому разбросу ряда параметров ЧЭ.
Такой эффект обусловлен деформацией ЧЭ при его «зажатии» в приспособлении на этапе измерения параметров, что и приводит к метрологическому разбросу. Измерительная оснастка была доработана, и метрологический разброс параметров ЧЭ, вызванный описанным эффектом, был уменьшен до величины в пределах погрешности измерений.
По результатам анализа принято решение использовать для сейсмодатчиков ЧЭ на основе балочных биморфов параллельного типа, выполненных в виде консоли.
Такие ЧЭ выпускаются в АО «НИИ «Элпа» и как самостоятельные изделия (рис. 2) [5].
Для сейсмодатчика, как и большинства других датчиков, помимо ЧЭ, характерен ряд дополнительных устройств и приспособлений, повышающих надежность конструкции и упрощающих процессы считывания и анализа информации с выхода ЧЭ. В нашем случае к ним относятся электронные блоки обработки сигналов (например, усилители, фильтры и т. д.), элементы крепежа и механической защиты от внешних воздействий (например, электрические разъемы, металлический герметичный корпус и т. д.).
Рассмотрим это более детально на примере канала, соответствующего одной из осей координат. Следует заметить, что введение понятия об осях координат для сейсмодатчика условно. Привязка его к системе координат осуществляется только в зависимости от принятой системы координат на объекте, на котором устанавливают сейсмодатчик. Учитывая техническую целесообразность, размещают его вертикально, горизонтально, слева, справа и т. д. Важно знать направление осей максимальной чувствительности, условно обозначаемых XYZ (указывается на самом датчике), образующих прямоугольную систему координат, и их соответствие координатам выходного разъема. После установки сейсмодатчика на объекте эти оси могут быть приведены в соответствие с системой координат, принятой у потребителя.
Поскольку сигнал, несущий информацию, на выходе ЧЭ, как правило, небольшой, его следует усилить. Выходное (емкостное) сопротивление ЧЭ весьма велико и зависит от частоты, поэтому его необходимо согласовать с последующими электрическими цепями. Такие задачи решает низкочастотный малошумящий предварительный усилитель с большим входным и малым выходным сопротивлениями, собранный на печатной плате. Первое звено полосового фильтра образовано входными цепями усилителя и выходными цепями ЧЭ. В целом значение шума на входе усилителя достигало величин порядка 10–5g. Дальнейшая обработка сигнала осуществлялась в блоках выходного усилителя, коэффициент усиления которого, как и коэффициент усиления предварительного усилителя, устанавливался исходя из заданного коэффициента преобразования. Параметры выходного усилителя позволяют использовать в качестве нагрузки как обычный провод, так и витую пару. Выходной усилитель совместно с предварительным формирует заданную полосу рабочих частот. Минимальный наблюдаемый сигнал при использовании АЦП и ЭВМ мог достигать 10–6g и менее.
Как показала практика, основное требование заказчиков к вариантам внешнего питания электронных блоков сейсмодатчика – однополярное бортовое питание диапазона 6–24 В (выходной сигнал при этом должен быть двухполярным). Задача была решена путем создания вторичного двухполярного источника питания, обеспечивающего на выходе стабилизированное напряжение ±5 В при подаче на вход от однополярного бортового источника питания в пределах 6–24 В.
Оптимальная технология изготовления СД 1Э – комбинирование трех заготовок – практически полностью собранных однокоординатных датчиков СД 2Э, в конструкции которых решены основные задачи с использованием не только описанных, но и других технических решений. Однокоординатный сейсмодатчик СД 2Э (рис. 3), который выпускается АО «НИИ «Элпа» как самостоятельное изделие [6], разработанное в качестве составной части СД 1Э, представляет собой заготовку-конструкцию одно¬координатного датчика с гибкими выводами (вместо жестких, выполненных на основе разъема PLS 2,54). Эти закрепленные внутри общего корпуса заготовки образуют осями чувствительности прямоугольную систему координат, а их гибкие выводы соединены с выходным разъемом РСГ 10АТВ. Подобный «блочный» подход к выбору конструкции СД 1Э оказался весьма эффективным с точки зрения повышения надежности и дальнейшего уменьшения его габаритов. Кроме того, отдельный блок-заготовка СД 2Э при несложной доработке представляет собой отдельное, самостоятельное изделие, получившее распространение.
Сейсмодатчик СД 1Э утвержден как тип средств измерений RU.C.28.409.А № 65377.
В ходе работы наряду с патентом РФ № 2621467 [4] были использованы патенты РФ АО «НИИ «Элпа» на другие технические решения: № 104779, № 127251, № 2540940, № 2553750, № 88476 (опубликовано ФИПС, реестр изобретений РФ) и др.
В настоящее время продолжается работа по совершенствованию СД 1Э, в частности, дополняется его конструкция цифровым выходом, для уменьшения габаритов используется технология литья пьезокерамической пленки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Янич В. В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). – Р. на / Д.: Изд. ЮФУ, 2010. С. 24–304.
2. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в 3-х т. Т. 2. – М.: МПРЖ, 1999. 688 с.
3. Пьезоэлектрическая керамика, принципы и применение. – Мн.: ФУ-Аниформ, 2003. С. 33–112.
4. Зинченко В. Н. и др. Малогабаритный датчик удара. Патент РФ № 2621467. Бюл. изобретений. 2017. № 16 .
5. https://www.elpapiezo.ru/sensor_element.html.
6. https://www.elpapiezo.ru/seismo.html.
Акселерометры-измерители ускорений, работающие на основе прямого пьезоэффекта [1], нашли широкое применение в различных областях науки и техники [1–3], в частности:
• в качестве первичных преобразователей в сейсмо- и виброизмерительных системах и комплексах;
• системах мониторинга зданий, метро и др.;
• системах охраны периметров, окружающих объекты, от несанкционированного проникновения (АЭС, путепроводы, газопроводы, ЛЭП и др.);
• навигационных системах позиционирования (необитаемые подводные аппараты, беспилотные летательные объекты и др.).
Акселерометры-измерители ускорений отличаются разнообразием конструкций в зависимости от их назначения – сейсмодатчики, вибродатчики, датчики удара и др. Основной принцип работы устройств – преобразование механического воздействия (или ускорения) в электрический сигнал.
В АО «НИИ «Элпа» разработан и запущен в производство акселерометр-сейсмодатчик СД 1Э, размещенный в корпусе из алюминиевого сплава (рис. 1), его характеристики приведены в табл. 1. По желанию заказчика большую часть характеристик можно изменить.
Остановимся на конструкции СД 1Э подробнее. Основа датчика – чувствительный элемент (ЧЭ), в котором механическое воздействие преобразуется в электрический сигнал, удобный для обработки и анализа. В нашем случае таковым является ЧЭ, в конструкции которого предусмотрена поляризованная пьезокерамика ЦТС 19. Наиболее широкое распространение получили два основных вида конструкции таких ЧЭ:
• осевая конструкция [3] (она же компрессионная [1]) на основе пьезокерамического элемента (п / э), работающего по принципу деформации растяжение-сжатие. Такие ЧЭ отличаются высокой механической прочностью, как правило, избыточной для сейсмодатчиков, но малой чувствительностью к воздействующему на ЧЭ ускорению;
• изгибная конструкция на основе биморфного п / э, работающего по принципу деформации изгиба [1, 3]. Наибольшее распространение получили два типа таких п / э – дисковый и стержневой (балочный), каждый может быть собран из двух обычных п / э путем их склеивания и электрического соединения электродов параллельно или последовательно [1, 3]. Изгибные ЧЭ от осевых отличаются более высокой чувствительностью к механическому воздействию и существенно меньшей механической прочностью (как правило, достаточной для сейсмодатчиков).
Следует отметить, что биморфные п / э обладают свойством существенно (по данным экспериментальных исследований, на порядок и более) снижать влияние паразитного пироэффекта на результат измерения [4].
Было принято решение использовать в конструкции ЧЭ биморфные пьезокерамические элементы.
Кроме того, в ходе анализа и экспериментальных исследований было установлено, что при прочих равных условиях балочная конструкция биморфа отличается существенно меньшими габаритами по сравнению с дисковой, большими перспективами их миниатюризации и более проста в изготовлении. Это нашло отражение в дальнейших разработках с использованием в ЧЭ пьезокерамических элементов, изготовленных по технологии литья пьезокерамической пленки [4].
В то же время, помимо ряда положительных свойств (некоторые из них описаны выше), существуют недостатки, присущие прежде всего биморфам. Одним из недостатков является неуправляемое создание «паразитных ребер жесткости» в процессе изготовления.
Например, в ходе поляризации п / э, выполнения других технологических операций возникает изгиб плоскости, который превращает его форму в «совок» или мост, укрепленный ребрами жесткости, не позволяющими прогибаться. Такое неуправляемое и неучтенное «упрочнение» биморфа, а с ним и ЧЭ, приводит к неуправляемому уменьшению его деформации в ходе работы и, как следствие, снижению уровня чувствительности. На практике этот эффект, как показали экспериментальные исследования, может снизить коэффициент преобразования на 10% и более. Это один из основных эффектов, приводящих к технологическому разбросу ряда параметров ЧЭ.
Такой эффект обусловлен деформацией ЧЭ при его «зажатии» в приспособлении на этапе измерения параметров, что и приводит к метрологическому разбросу. Измерительная оснастка была доработана, и метрологический разброс параметров ЧЭ, вызванный описанным эффектом, был уменьшен до величины в пределах погрешности измерений.
По результатам анализа принято решение использовать для сейсмодатчиков ЧЭ на основе балочных биморфов параллельного типа, выполненных в виде консоли.
Такие ЧЭ выпускаются в АО «НИИ «Элпа» и как самостоятельные изделия (рис. 2) [5].
Для сейсмодатчика, как и большинства других датчиков, помимо ЧЭ, характерен ряд дополнительных устройств и приспособлений, повышающих надежность конструкции и упрощающих процессы считывания и анализа информации с выхода ЧЭ. В нашем случае к ним относятся электронные блоки обработки сигналов (например, усилители, фильтры и т. д.), элементы крепежа и механической защиты от внешних воздействий (например, электрические разъемы, металлический герметичный корпус и т. д.).
Рассмотрим это более детально на примере канала, соответствующего одной из осей координат. Следует заметить, что введение понятия об осях координат для сейсмодатчика условно. Привязка его к системе координат осуществляется только в зависимости от принятой системы координат на объекте, на котором устанавливают сейсмодатчик. Учитывая техническую целесообразность, размещают его вертикально, горизонтально, слева, справа и т. д. Важно знать направление осей максимальной чувствительности, условно обозначаемых XYZ (указывается на самом датчике), образующих прямоугольную систему координат, и их соответствие координатам выходного разъема. После установки сейсмодатчика на объекте эти оси могут быть приведены в соответствие с системой координат, принятой у потребителя.
Поскольку сигнал, несущий информацию, на выходе ЧЭ, как правило, небольшой, его следует усилить. Выходное (емкостное) сопротивление ЧЭ весьма велико и зависит от частоты, поэтому его необходимо согласовать с последующими электрическими цепями. Такие задачи решает низкочастотный малошумящий предварительный усилитель с большим входным и малым выходным сопротивлениями, собранный на печатной плате. Первое звено полосового фильтра образовано входными цепями усилителя и выходными цепями ЧЭ. В целом значение шума на входе усилителя достигало величин порядка 10–5g. Дальнейшая обработка сигнала осуществлялась в блоках выходного усилителя, коэффициент усиления которого, как и коэффициент усиления предварительного усилителя, устанавливался исходя из заданного коэффициента преобразования. Параметры выходного усилителя позволяют использовать в качестве нагрузки как обычный провод, так и витую пару. Выходной усилитель совместно с предварительным формирует заданную полосу рабочих частот. Минимальный наблюдаемый сигнал при использовании АЦП и ЭВМ мог достигать 10–6g и менее.
Как показала практика, основное требование заказчиков к вариантам внешнего питания электронных блоков сейсмодатчика – однополярное бортовое питание диапазона 6–24 В (выходной сигнал при этом должен быть двухполярным). Задача была решена путем создания вторичного двухполярного источника питания, обеспечивающего на выходе стабилизированное напряжение ±5 В при подаче на вход от однополярного бортового источника питания в пределах 6–24 В.
Оптимальная технология изготовления СД 1Э – комбинирование трех заготовок – практически полностью собранных однокоординатных датчиков СД 2Э, в конструкции которых решены основные задачи с использованием не только описанных, но и других технических решений. Однокоординатный сейсмодатчик СД 2Э (рис. 3), который выпускается АО «НИИ «Элпа» как самостоятельное изделие [6], разработанное в качестве составной части СД 1Э, представляет собой заготовку-конструкцию одно¬координатного датчика с гибкими выводами (вместо жестких, выполненных на основе разъема PLS 2,54). Эти закрепленные внутри общего корпуса заготовки образуют осями чувствительности прямоугольную систему координат, а их гибкие выводы соединены с выходным разъемом РСГ 10АТВ. Подобный «блочный» подход к выбору конструкции СД 1Э оказался весьма эффективным с точки зрения повышения надежности и дальнейшего уменьшения его габаритов. Кроме того, отдельный блок-заготовка СД 2Э при несложной доработке представляет собой отдельное, самостоятельное изделие, получившее распространение.
Сейсмодатчик СД 1Э утвержден как тип средств измерений RU.C.28.409.А № 65377.
В ходе работы наряду с патентом РФ № 2621467 [4] были использованы патенты РФ АО «НИИ «Элпа» на другие технические решения: № 104779, № 127251, № 2540940, № 2553750, № 88476 (опубликовано ФИПС, реестр изобретений РФ) и др.
В настоящее время продолжается работа по совершенствованию СД 1Э, в частности, дополняется его конструкция цифровым выходом, для уменьшения габаритов используется технология литья пьезокерамической пленки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Янич В. В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). – Р. на / Д.: Изд. ЮФУ, 2010. С. 24–304.
2. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в 3-х т. Т. 2. – М.: МПРЖ, 1999. 688 с.
3. Пьезоэлектрическая керамика, принципы и применение. – Мн.: ФУ-Аниформ, 2003. С. 33–112.
4. Зинченко В. Н. и др. Малогабаритный датчик удара. Патент РФ № 2621467. Бюл. изобретений. 2017. № 16 .
5. https://www.elpapiezo.ru/sensor_element.html.
6. https://www.elpapiezo.ru/seismo.html.
Отзывы читателей
