Accelerometru

Un accelerometru este un instrument de măsurare capabil să detecteze și / sau să măsoare accelerația , prin calcularea forței detectate în raport cu masa obiectului (forța pe unitate de masă).

Utilizarea accelerometrului a crescut considerabil în ultimii ani, de vreme ce, alături de aplicațiile tradiționale din domeniile științific și aerospațial, a fost adoptat în numeroase domenii civile (automobile, smartphone-uri, teste, analize mecanice, jocuri etc.) de multe ori alături de alți senzori cum ar fi giroscopele, magnetometrele etc. Odată cu multiplicarea aplicațiilor, tipurile acestor instrumente s-au diversificat și astăzi există zeci de tipuri, fiecare cu caracteristici funcționale și constructive diferite.

Principiul de funcționare

În majoritatea accelerometrelor, principiul de funcționare este același: se bazează pe detectarea inerției unei mase atunci când este supusă accelerației.

Masa este suspendată de un element elastic , în timp ce un tip de senzor îi detectează deplasarea în raport cu structura fixă a dispozitivului. În prezența unei accelerații, masa (care are propria inerție) se deplasează din poziția sa de repaus proporțional cu accelerația detectată. Senzorul transformă această deplasare într-un semnal electric care poate fi dobândit de sistemele moderne de măsurare.

O primă clasificare se poate face astfel prin împărțirea acestor instrumente în conformitate cu principiul de funcționare al senzorului de poziție .

Accelerometru de manometru

Accelerometrul de punte al manometrului utilizează același principiu de detectare ca celulele de sarcină , adică variația rezistenței unui manometru datorită variației lungimii sale.

În aceste dispozitive, o masă este suspendată pe laminări subțiri, pe acestea din urmă sunt tensometre fixe conectate la podul Wheatstone .

În prezența unei accelerații, masa se mișcă, flexând laminările și, în consecință, tensometrele suferă o alungire. Cu un voltmetru este posibil să citiți o tensiune de dezechilibru a podului Wheatstone proporțională cu accelerația.

Accelerometru piezorezistiv

Accelerometrul de punte piezorezistiv este o variantă a accelerometrului de punte pentru gabaritul de tensiune, unde sunt folosiți senzori piezorezistenți în locul gabaritelor de tensiune. Acești senzori se comportă într-un mod similar cu dispozitivele de măsurare a tensiunii, dar permit alungire și sensibilitate mai mari, în timp ce au unele probleme de stabilitate cu variația temperaturii.

Adesea, în aceste instrumente masa este suspendată pe o membrană de plastic, pe care au fost atașate elementele piezorezistive.

Accelerometru LVDT

Accelerometrul LVDT folosește un senzor LVDT (Transformator diferențial variabil liniar) integrat în structura accelerometrului ca principiu pentru detectarea deplasării masei.

În aceste dispozitive, masa în sine constituie nucleul feromagnetic al senzorului LVDT și curge (suspendat pe arcuri sau alte elemente elastice) în interiorul unui canal, în jurul căruia sunt înfășurate bobinele destinate detectării poziției masei.

Un circuit special detectează poziția miezului față de bobine și generează un semnal electric proporțional cu deplasarea față de poziția de repaus.

Accelerometru capacitiv

Accelerometrul capacitiv exploatează, ca principiu pentru detectarea deplasării masei , variația capacității electrice a unui condensator pe măsură ce distanța dintre plăcile sale variază.

În aceste accelerometre, masa (din material conductor) constituie o armătură, în timp ce cealaltă este realizată pe structura fixă a dispozitivului, în imediata apropiere a masei. Masa este suspendată pe un element elastic relativ rigid (de obicei o membrană). Un circuit special detectează capacitatea condensatorului astfel creat și generează un semnal electric proporțional cu poziția pământului.

În ultimii ani, accelerometrele capacitive sunt fabricate în tehnologia MEMS unde plăcile individuale au forma unui pieptene pentru a-și crește valoarea capacității.

Accelerometru piezoelectric

Accelerometrul piezoelectric utilizează, ca principiu pentru detectarea deplasării masei, semnalul electric generat de un cristal piezoelectric atunci când este supus comprimării.

În aceste accelerometre masa este suspendată pe cristalul piezoelectric, care, în acest caz, constituie atât senzorul cât și elementul elastic. În prezența unei accelerații, masa (care are o anumită inerție) comprimă cristalul, care generează un semnal electric proporțional cu compresia.

Deoarece elementul elastic este un cristal, caracteristicile acestor dispozitive sunt deosebite:

au o sensibilitate relativ scăzută;
pot detecta accelerații foarte mari fără a fi deteriorate (chiar și 1000 g);
nu pot detecta accelerații constante în timp.

O considerație deosebit de importantă constă în faptul că cristalele utilizate în general la construcția elementului elastic au o valoare foarte mare a constantei elastice, care are o influență profundă asupra ecuației diferențiale care guvernează fenomenul vibrator care implică sistemul instrumentului.

Trebuie remarcată ultima caracteristică: după cum sa menționat, cristalul generează un semnal electric proporțional cu compresia, dar dacă compresia pe cristal persistă, semnalul generat tinde să se disipeze după o perioadă scurtă de timp. Ca o consecință a acestui fenomen, numit scurgeri , aceste accelerometre nu sunt capabile să detecteze o accelerație cvasistatică : după câteva secunde de la aplicarea unei astfel de accelerații, semnalul „îngheață” și apoi se disipează, iar la ieșire nu va dacă nu există semnal. Acest lucru se datorează rezistenței ridicate a accelerometrului sau, eventual, și unei setări incorecte a frecvenței limită inferioară a preamplificatorului. Aceste accelerometre sunt utilizate în aplicații în care este necesar să se detecteze accelerații dinamice, cum ar fi cele generate în vibrații și șocuri mecanice.

Accelerometru laser

Accelerometrul cu laser este un anumit tip de accelerometru, utilizat atunci când este necesar să se efectueze măsurători extrem de precise, care nu pot fi obținute cu alte tipuri de instrumente. Principiul de funcționare este diferit conceptual de cele descrise mai sus și se bazează pe principiul fizic conform căruia accelerația este o derivată a vitezei în timp.

În acest dispozitiv, un interferometru laser măsoară instant cu instant deplasarea obiectului în mișcare, un computer conectat la acesta realizează a doua derivată în raport cu timpul, obținând astfel în mod direct valoarea de accelerație.

Problemele cu aceste dispozitive sunt că sunt scumpe, destul de voluminoase, necesită ca interferometrul să fie montat la sol (sau pe un loc care trebuie considerat fix) și laserul trebuie să fie îndreptat constant către obiectul în mișcare.

Gravimetru

Gravimetrul este un anumit tip de accelerometru realizat special pentru a măsura accelerația gravitației . Conform principiului echivalenței relativității generale , efectele gravitației și accelerației sunt aceleași, deci un accelerometru nu poate face distincție între cele două.

Versiunile îmbunătățite ale accelerometrelor pentru măsurători statice pot fi utilizate ca gravimetre, în care caracteristicile sensibilității, preciziei și stabilității au fost deosebit de îngrijite. De fapt, în această aplicație, este necesar să se detecteze variații de accelerație extrem de mici.

În cazul în care, în scopuri științifice, este necesar să se efectueze măsurători extrem de precise, se folosește un instrument care funcționează cu același principiu ca și accelerometrul laser: în acest caz, accelerarea căderii unui corp este detectată într-o cameră de vid, folosind un interferometru laser pentru a măsura deplasarea și un ceas atomic pentru a măsura timpul de cădere.

Detectarea accelerației gravitaționale, pe lângă faptul că este de interes în domeniul științific (în special în fizică și geologie), este o practică a industriei extractive (în special pentru cercetarea câmpurilor petroliere).

Lățime de bandă

Accelerometrele pot fi împărțite în două mari categorii:

pentru măsurători de accelerație statică;
pentru măsurători de accelerație dinamică.

Prima categorie include instrumentele care au o bandă de trecere cu o caracteristică de trecere joasă, în timp ce a doua include instrumentele care au o caracteristică de trecere a benzii.

Accelerometrele pentru măsurători de accelerație statică sunt capabile să detecteze de la accelerații continue și statice (cantitatea de intrare cu frecvență la 0 Hz) până la accelerații care variază cu frecvențe joase (în mod normal până la 500 Hz). Această caracteristică este tipică accelerometrelor realizate cu tensometru, LVDT sau principiul capacitiv. Exemple de aplicații pentru aceste instrumente sunt măsurători ale accelerației gravitaționale, accelerației centrifuge, a unui vehicul în mișcare, în ghidare inerțială.

Accelerometrele pentru măsurători de accelerație dinamică sunt dispozitive care nu sunt capabile să detecteze accelerații statice (de exemplu accelerația gravitațională), dar sunt capabile să detecteze accelerații care variază în timp, de exemplu cele generate de obiectele vibrante sau cele care sunt generate în coliziuni. Lățimea de bandă a acestor instrumente poate varia de la câțiva Hz la 50 kHz. Accelerometrele tipice de acest tip sunt cele realizate cu tehnologie piezoelectrică.

Conditionere de semnal integrate

Progresul miniaturizării electronice a făcut posibilă integrarea diferitelor accelerometre și condiționatoare de semnal aferente în același pachet. Aceste circuite pot fi utilizate pentru alimentarea corectă a senzorilor sau pentru amplificarea, filtrarea și liniarizarea semnalului de ieșire.

Integrarea acestor circuite a simplificat utilizarea accelerometrelor, care pot fi utilizate în mod eficient într-o gamă mai largă de aplicații într-un mod simplu și rentabil.

Utilizarea accelerometrelor în viața de zi cu zi

Dacă până acum câțiva ani accelerometrele erau destinate utilizărilor științifice, militare sau „speciale” civile, astăzi odată cu evoluția electronicii, reducerea costurilor și dezvoltarea aplicațiilor, accelerometrele sunt din ce în ce mai utilizate pe obiecte de uz comun.

Unele accelerometre miniaturizate (utilizate ca inclinometre ) se găsesc în dispozitivele portabile pentru a roti automat orientarea afișajului de pe ecran (de la vertical la orizontal și invers), în funcție de faptul dacă dispozitivul este plasat orizontal sau vertical. Aceeași tehnologie este la bordul gamepad-urilor unor console de jocuri, permițând, cu singura înclinație a acestora, să controleze progresul jocurilor. De exemplu, pe platforma Nintendo Wii , utilizarea accelerometrelor în telecomenzi permite interactivitate mult mai mare decât concurența.

Începând cu anii 1980, în interiorul stimulatoarelor cardiace au fost inserate accelerometre cu consum redus și dimensiuni mici pentru a adapta rata de stimulare la activitatea desfășurată de pacient.

O altă aplicație din ce în ce mai obișnuită este cea utilizată pentru detectarea accelerației laterale la vehicule, pentru a controla derapajul activând corespunzător sistemul de frânare.

În biologie

Multe animale folosesc statociste , care sunt structuri celulare speciale cu greutăți pendulante și organe de simț inervate, pentru a măsura accelerația și gravitația.