Wstęp

Czujniki drgań stanowią kluczowy element w systemach wibroakustycznych, zaczynając od wielkoformatowych wzbudników drgań, stanowiąc w nich wzorzec odniesienia poprzez czujniki wykorzystywane w działach R&D m.in. podczas crash testów, a kończąc na ręcznych miernikach umożliwiając zarejestrowanie drgań obserwowanego obiektu. W poniższym artykule omówimy dwie grupy najbardziej popularnych typów czujników, czyli konstrukcje piezoelektryczne i piezorezystywne.

Akcelerometry piezoelektryczne

Akcelerometry piezoelektryczna składają się z kryształu piezoelektrycznego połączonego z masą reakcyjną. Połączenie to może odbywać się na różne sposoby, zmieniając sposób oddziaływania masy na kryształ. 

Wyróżniamy tutaj m.in.:

• Siły ścinające - w którym masa reakcyjna przyczepiona jest do jednej z podstaw kryształu, podczas gdy druga podstawa kryształu przymocowana jest do obudowy.

• Siły ściskające - kiedy ruch masy reakcyjnej ściska kryształ umieszczony na podłożu obudowy.

• Siły zginające - masa umieszona na krysztale o odpowiednim rozmiarze powoduje jego wygięcie zgodnie z ruchem masy.

Sposób działania akcelerometrów piezoelektrycznych polega na zjawisku piezoelektrycznym polegającym na pojawianiu się na krysztale ładunków elektrycznych pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Gdy masa reakcyjna porusza się zgodnie z s(t), powstające obciążenie bezwładnościowe na powierzchni wynosi F(t) - m * a(t). Przyłożenie tej siły do kryształu piezoeletrycznego spowoduje proporcjonalny przepływ ładunków elektrycznych zgodnie z q(t)~F(t), który następnie za pomocą układu zostanie przekształcony na napięcie przemienne u(t).

Chodź spotyka się również takie układy w formie zewnętrznych urządzeń, najczęściej montowane są one bezpośrednio w obudowie akcelerometru i zasilane prądem o natężeniu 2-20 mA. Taki typ czujników nazywany jest w zależności od producenta IEPE, CCP, ICP®, podczas gdy wszystkie technologie bazują na tym samym zastosowaniu.

Rys. 1 - 3-osiowy akcelerometr przeznaczony do pomiarów drgań budynków DeltaOHM HDBV‑1000

Akcelerometry piezoelektryczne charakteryzują się wysoką dokładnością i szeroką możliwością wdrożenia. Takie czujniki wykorzystywane są jakie akcelerometry odniesienia w laboratoryjnych systemach wzorcujących, jaką robocze akcelerometry pomiarowe i to w szerokim zakresie.

Acelerometry z większą czułością, sięgającą 1 V/g, 10 V/g lub więcej, będą używane w przypadku małych wartości drgań, np. pomiarach drgań budynków. Akcelerometry o mniejszej czułości zazwyczaj kilku/kilkunastu mV/g wykorzystywane będą np. przy pomiarach wibracji na stanowisku pracy, szczególnie tych przenoszonych kończynami górnymi.

Akcelerometry piezorezystywne

Działanie tego typu czujników opiera się na zasadzie mierzenia siły bezwładności działającą na masę reakcyjną zgodnie z F(t) = m*a(t).

Pomiar wykonywany jest za pomocą tensometrów przyczepionych do giętkiej belki łączącej, poruszającą się masę z obudową. Siła F(t) naprzemiennie rozszerza i ściska tensometry co prowadzi do zmian ich rezystancji.

Zmiany te przekształcane są w zmiany napięcia, przy wykorzystaniu specjalnych mostków.

Rys. 2 - Mostek wykorzystywany w akcelerometrach piezorezystywnych(Źródło: Compendium of vibration calibration - dr. ing. Uwe Buhe / Spektra/ March 2020)

Technologie mikromechaniczne pozwalają na zmniejszenie kosztów produkcji i rozmiarów akcelerometrów piezorezystywnych, co wpływa na zastosowanie tej technologii w akcelerometrach MEMS. Z tego powodu zazwyczaj wykorzystywane są w badaniach R&D wymagających dużej liczby czujników m.in  przy różnego typu crash testach.

Z drugiej strony obok niskiego kosztu przetworników, same crash testy wymagają zazwyczaj większego nakładu finansów. Z tego względu kluczowe jest zadbanie o weryfikację poprawności działania akcelerometrów. Przenośna stacja wzorcująca Spektra CV-10, posiada przejściówkę dedykowaną czujnikom piezorezystywnym, umozliwiającą ich poprawne podłączenia i wzorcowanie.

Rys. 3 - Przystawka pozwalająca na poprawne podłączenie i wywzorcowanie akcelerometrów piezorezystywnych za pomocą stacji Spektra CV-10.

Podsumowanie

Oba z wymienionych w artykule typów akcelerometrów są szeroko stosowane w przemyśle, wykorzystując swoje właściwości w wielu rodzajach pomiarów.

Mniejsza wrażliwość na temperaturę oraz dokładniejsza praca w zakresie wyższych częstotliwości pozwala czujnikom piezoelektrycznym na zastosowanie w laboratoriach wzorcujących oraz w szerokim zakresie pomiarów wibracji maszyn czy budynków.

Z drugiej strony niski koszt produkcji i rozmiar umożliwia wykorzystanie akcelerometrów piezorezystywnych w pomiarach projektowych i rozwojowych, w których niezbędne jest wykorzystanie wielu czynników jednocześnie.

Ze względu na wiele dostępnych modeli poszczególnych rodzajów akcelerometrów, nie jest możliwe dokładne wskazania zastosowania konkretnej konstrukcji, dlatego w większości przypadków dobór należy przeprowadzić indywidualnie, analizując parametry czujnika, warunki pomiarowe oraz wymagania kalibracyjne.