Инженеры, проектирующие тяжелое оборудование, такое как мощные трактора, краны, дробилки древесины и другие крупногабаритные и мощные установки должны снабжать их индикаторами и датчиками наклона. Это необходимо для повышения безопасности при эксплуатации, так как наличие этих датчиков не позволит рабочим эксплуатировать технику в опасных местах, а также позволит предотвратить опрокидывание при работе машин. При выборе датчика нужно убедится в том, что он сможет работать, не смотря на вибрации и ударные нагрузки (общие условия для внедорожной техники).
Сейчас наиболее распространёнными являются два типа акселерометров (на них основываются датчики наклона) – емкостные и термические. Оба устройства созданы на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). В чем между ними разница?
Для правильного выбора акселерометра для своего механизма инженеры должны учитывать несколько факторов, таких как – структура, резонанс, надежность, пропускная способность, энергопотребление, стоимость. Также необходимо понимать устройство и принцип действия каждого из датчиков.
Акселерометр и крен
Акселерометры на тяжелой технике измеряют наклон и крен, так же, как они это делают в самолетах. Устройства могут использовать две (2D или двухосевые) или три (3D или трехосевые) ортогональные оси. Они измеряют ускорение относительно силы тяжести, а потом производят расчет наклона от суммы ускорений относительно силы тяжести, измеренной по ортогональным осям.
2D акселерометр может измерять ускорение, крен и наклон на наклонной оси, описанной функцией синуса. Теоретически рабочий лимит измерения лежит в пределах от 00 до ±900. В реальности этот диапазон меньше и лежит в пределах от 00 до ± 700. Это вызвано тем, что функция синуса по мере приближения к 900 начинает выравниваться. Тем не менее, 2D акселерометр способен измерять наклон и крен в диапазоне от 00 до ±1800.
Для измерения крена или наклона объекта по всему диапазону ориентации по отношению к гравитации используют 3D или два 2D акселерометра, то есть 00 — ±900 по наклону и 00 — ±1800 по крену. В большинстве случаев использование двух 2D устройств лучше, чем 3D, так как многие 3D акселерометры имеют пониженную производительность на Z-оси.
Емкостной и термический датчики
Емкостной 3D акселерометр содержит консольную балку и вычисляет ускорение путем измерения силы тяжести, которая оказывается на него. Ускорение силы тяжести приводит к изгибам и изменению позиции относительно двух неподвижных электродов. Это приводит к изменению емкости между электродами, которое будет пропорционально ускорению.
Термический 2D акселерометр использует монолитный подход, который сочетает в себе датчик и электронику на интегральных микросхемах, которые герметически упаковываются. Микросхема (рисунок выше) включает в себя нагревательный элемент и пару термоэлементов, подвешенных над специально изготовленной поверхностью микросхемы. Термоэлементы измеряют перемещение молекул газа, подогретого для измерения ускорения. При ускорении нагретые молекулы начинают движение в сторону ускорения, а при состоянии покоя газ симметрично распределен по нагревателю.
Ключевые различия между емкостными и термическими датчиками
Емкостные датчики используют консольную балку с подвижными частями. По своей природе они имеют широкую полосу пропускания (>5 кГц) с резонансной механической частотой около 2 кГц для low-g устройств используемых для обнаружения и измерения наклона. Когда энергия вибраций больше, чем может обработать датчик или находится вблизи его резонансной частоты, может произойти отсечка или резонанс самого датчика. В некоторых случаях это может привести к большим смещениям постоянного тока, особенно на оси Z, что делает невозможным получение адекватного сигнала при высоких вибрациях. Это один из основных недостатков емкостных акселерометров. Для компенсации больших вибраций инженеры применяют различные методики, однако довольно часто вибрации бывают настолько сильные, что это не приносит эффекта.
Наиболее распространенный подход смягчения вибраций акселерометра – это его размещение на резиновых втулках, пружинах, амортизаторах и так далее. Иногда прибегают к использованию менее чувствительных устройств с более жесткими консольными балками, что дает возможность датчику выдерживать большие резонансные частоты, а также более сильные механические удары и вибрации. Но эти методы приводят к увеличению стоимости, снижению производительности, увеличению срока проектирования и уменьшению надежности датчика.
Даже если удастся достичь снижение уровня вибраций до допустимого, становится актуальным еще один недостаток емкостных устройств – наложение спектров. Широкая полоса пропускания датчика позволяет более высоким частотам вибраций влиять на качество измерения. Что бы избежать этого инженеры вынуждены прибегать к более сложным алгоритмам передискретизации и использовать более мощные микропроцессоры. Механические удары и столкновения также вносят свой нехороший вклад в наложение спектров и резонанс емкостных датчиков. Механический удар с высокой магнитудой хоть явление и кратковременное, но содержит в себе широкий диапазон частот. Если при ударе возникнет частота близкая к резонансной или резонансная, то произойдет вхождение датчика в резонанс, и он будет показывать не точные данные.
Механический удар, если он достаточно силен, может вызвать прилипание консольных балок емкостных устройств (свойство чрезвычайно малых структур). В случае прилипания выход датчика все время будет оставаться постоянным. Также механические удары могут приводить к сбоям в калибровке (изменение нулевого смещения) и чувствительности.
Термические датчики используют тепловой эффект для вычисления ускорения и наклона, а это действует как фронтальный фильтр низких частот, смягчающий удары и вибрации. Это приводит к более точному измерению угла наклона и уменьшению потребления вычислительных мощностей от процессора.
Тепловой датчик сочетает в себе устройство измерения и электронику на одной микросхеме, что, в свою очередь повышает надежность и уменьшает габариты.
Монолитная конструкция и отсутствие кронштейнов тепловых датчиков приводит к повышенной ударной надежности. Благодаря отсутствию движущихся частей тепловые устройства не проявляют дисперсии из-за ударов и вибраций, которые могут негативно повлиять на калибровку. Также тепловые датчики не попадают в резонанс, обеспечивают устойчивость к вибрациям, не имеют температурного гистерезиса.
Стоит отметить, что емкостные устройства измерения потребляют значительно меньшую мощность и имеют большее преимущество при работе с системами, получающими питание от аккумуляторных батарей. Они потребляют на порядок меньше энергии, чем тепловые датчики, которые обычно имеют мощность примерно 3 мВт. Это вызвано необходимостью генерации тепла внутри термического измерительного устройства.
