SENZORI PENTRU MĂSURARE VIBRAȚII ȘI SUNET

Accelerometre cu MĂRCI TENSOMETRICE

Accelerometrele cu mărci tensometrice conțin o masă mică, calibrată, atașată la capătul liber al unei grinzi în consolă (vezi și capitolul 7). O marcă tensometrică se află pe partea superioară a grinzii și alta se află opus acesteia pe partea inferioară. Ambele mărci tensometrice măsoară încovoierea consolei, una în compresie și cealaltă în alungire când dispozitivul accelerează într-o direcție perpendiculară pe planul mărcilor. Mai întâi, produsul masei cu accelerația se transformă în forță (F = ma), apoi forța se convertește într-un semnal electric. Mărcile sunt calibrate pentru a genera un semnal de ieșire proporțional cu cantitatea de accelerație, măsurată în mod obișnuit în unități gravitaționale sau g. Frecvența naturală a accelerometrelor este de obicei de ordinul mai multor kHz, iar într-un sistem naamortizat, combinația cantilever-mass formează un rezonator armonic cu Q aproape 100.000.

Un sistem cu un Q extrem de ridicat excitat în apropierea frecvenței sale de rezonanță produce oscilații mari, care pot masca semnalul real de accelerație, produce măsurători inexacte și pot deteriora senzorul. În consecință, se adaugă frecvent ulei sau un material similar pentru a controla amortizarea. Figurile 8.01 și 8.02 prezintă răspunsul în frecvență al rezonatoarelor armonice cu Q = 1 și 100.000. Pentru Q = 100.000, accelerometrul este exact între 10% și 1/3 din frecvența de rezonanță. În schimb, pentru Q = 1, accelerometrul este exact între 10% și jumătate din frecvența sa de rezonanță.

Cele mai multe mărci tensometrice din accelerometre sunt conectate în circuite punte Wheatstone. Condiționatoarele de semnal pentru o punte comună de mărci tensometrice se aplică și acestui tip de traductor, deoarece seamănă cu un circuit de măsurare a tensiunii dintr-o celulă de sarcină.

Traductoare piezoelectrice

Materialele piezoelectrice sunt utilizate în accelerometre și microfoane. Ele generează sarcini electrice pe fețele opuse ale cristalului sub forțe mecanice dinamice, incluzând compresia, alungirea și răsucirea. O varietate de traductoare, cum ar fi microfoanele, utilizează elemente piezoelectrice pentru a transforma energia sonoră preluată de o diafragmă în semnale electrice. Dimpotrivă, traductoarele sonice utilizează elemente piezoelectrice pentru a transforma semnalele electrice în energie sonoră. Cuarțul este unul dintre cele mai comune materiale aplicate în traductoarele piezoelectrice și este disponibil imediat. Un alt material comun este un material piezoceramic, compus din plumb, zirconat și titanat (PZT).

Din punct de vedere electric, un dispozitiv piezoelectric seamănă cu un condensator care conține o sarcină variabilă în timp, Q (t). Sarcina este proporțională cu forța pe cristal și este de obicei măsurată fie cu un amplificator de tensiune, fie cu un amplificator de sarcină.

Amplificator de tensiune

În figura 8.03, câștigul amplificatorului de tensiune este 1. Adăugarea rezistoarelor de reacție sau creșterea numărului de etaje de amplificare modifică câștigul. Amplificatorul convertește intrarea de tensiune de înaltă impedanță la o ieșire de tensiune cu impedanță redusă. Tensiunea este Q/C, unde Q este sarcina în coulombi, iar C este capacitatea în Farazi, care include atât senzorul, cât și capacitatea legăturilor. La calibrarea unui amplificator de sarcină, capacitatea cablului face parte din ecuația sarcinii, astfel încât înlocuirea cablului fără recalibrare poate schimba acuratețea de ieșire a instrumentului.

Amplificatorul de sarcină

Amplificatorul de sarcină prezentat în figura 8.03 este extrem de versatil deoarece tensiunea de ieșire este V = Q/C unde Q este sarcina și C este capacitatea de reacție. Când amplificatorul operațional are un câștig extrem de mare în buclă deschisă, tensiunea de ieșire este independentă de capacitatea cablului. Acest lucru permite ca amplificatorul să funcționeze bine chiar și atunci când acesta se află la câțiva metri distanță de senzor. Cu toate acestea, deoarece zgomotul electric crește proporțional cu lungimea cablului, susceptibilitatea la zgomot determină lungimea maximă admisă a cablului mai mult decât face sensibilitatea dispozitivului. Amplificatorul de sarcină se cuplează la un filtru trece-sus cu frecvență de colț inferioară f = 1/(2pRC), dar aceasta reprezintă un compromis între sensibilitate și răspunsul în frecvență. Scăderea C mărește sensibilitatea, dar crește și frecvența de colț inferioară.

Senzorii de tip PZT nu pot efectua măsurători statice din cauza rezistenței la scurgere și a impedanței de ieșire ridicate, care variază de la 10¹⁰ la 10¹² Ω. O astfel de rezistență la scurgere, combinată cu o capacitate de câteva sute pF, dă o constantă de timp de câteva secunde.

Traductoare cu impedanță redusă

Majoritatea traductoarelor piezoelectrice moderne conțin amplificatoare integrate de condiționare a semnalului (vezi figura 8.04). De asemenea, cunoscute ca traductoare piezoelectrice cu circuite integrate, aceste unități au o ieșire de impedanță redusă și necesită o sursă externă de alimentare. Producătorul specifică de obicei sensibilitatea și gama de frecvență a lor. Utilizatorii trebuie să conecteze doar o sursă de alimentare la bornele de alimentare și ieșirea la un circuit de voltmetru. Tensiunea este apoi scalată la unități inginerești de măsurare.

Cea mai obișnuită aplicație pentru accelerometre de tip piezoelectric este măsurarea unei game largi de accelerații și vibrații mecanice. Acestea monitorizează frânarea automobilelor (și desfășoară airbag-ul exact la o milisecundă) în sistemele de siguranță, accelerația de ridicare și mișcarea în timpul misiunilor de navetă spațială și vibrațiile mecanice în numeroase mașini. Senzorii piezoelectrici, totuși, nu pot măsura accelerația constantă, așa cum o fac senzorii cu mărci tensometrice.

Traductoarele piezoelectrice cu impedanță mică măsoară și presiunea sau forța. Circuitul accelerometrului necesită doar două fire care să se ocupe atât de alimentare, cât și de semnale. Datorită impedanței joase a senzorului, sistemul nu este sensibil la zgomote de cablu introduse extern sau triboelectric sau lungimea de cablu. Senzorii piezoelectrici au frecvențe de rezonanță de până la 120 kHz, oferindu-le o gamă de frecvență utilizabilă de la mai puțin de 1 Hz până la mai mult de 40 kHz.

Fig. 8.05. Un accelerometru piezoelectric cu un etaj de amplificare MOSFET încorporat comandă un amplificator cu câștig programabil pe un card cu intrare de semnal dinamic. O sursă de curent de 2 sau 4 mA alimentează MOSFET-ul.

Figura 8.05 prezintă o schemă simplificată de conectare între un accelerometru și un card de condiționare a semnalului. Tensiunea dezvoltată pe R este aplicată la poarta (G) MOSFET-ului, care primește energie de la o sursă de curent constant de 2 sau 4 mA. Circuitele MOSFET se polarizează la aproximativ 12 V în starea de repaus. Când sistemul este excitat, tensiunea se dezvoltă de-a lungul cristalului, care se aplică la poarta MOSFET-ului. Tensiunea produce variații lineare în impedanța MOSFET, care, la rândul său, produce o schimbare proporțională a tensiunii de polarizare. Această schimbare de tensiune se cuplează la amplificatorul de intrare prin intermediul condensatorului C. Valoarea R și capacitatea internă a cristalului piezoelectric controlează frecvența joasă de colț. Unitățile care cântăresc doar câteva sute de grame generează ieșiri de nivel ridicat la 10 mV/g cu răspuns în frecvență de la 0,3 Hz până la 2 kHz. Unitățile mai mici, cu o sensibilitate mai mică, răspund la frecvențe de la 1 Hz la 35 kHz.

Sursa de curent constant oferă o polarizare sursă-poartă pentru FET. Deoarece curentul de poartă răspunde la variațiile presiunii aplicate pe cristal, tensiunea drenă-sursă (Vds) și tensiunea de ieșire a preamplificatorului se modifică proporțional. Un circuit de cuplare AC sau un filtru de trece-sus este întotdeauna necesar din cauza offset-ului DC mare la Vds care se dezvoltă din curentul de polarizare. Frecvența cut-off de tăiere a filtrului trece-sus depinde de aplicație și de accelerometrul particular (vezi figura 8.06).

Fig. 8.06. O sursă de curent constant realizează o polarizare a porții-sursă pentru tranzistorul cu efect de câmp (FET) din accelerometru. Depinzând de circuitul FET specific, o sursă de curent constant poate fi configurată pentru o sarcină flotantă sau o sarcină pusă la masă.

Pentru a elimina necesitatea unui preamplificator exterior, unele accelerometre conțin sursa de curent și circuitul de cuplare AC. Această caracteristică permite ca accelerometrele să se conecteze la sistemul de achiziție de date prin conectori BNC simpli. Cele mai multe accelerometre, cu toate acestea, necesită un amplificator și filtru pe ieșire înainte de faza de conversie analogic-digitală. De asemenea, amplificatorul cu câștig programabil permite operatorului să ajusteze câștigul pentru un răspuns optim.

Împreună cu amplificatoarele programabile, filtrele low-pass programabile rejectează semnalele nedorite de înaltă frecvență. Semnalele provin de obicei din zgomot sau vibrații de înaltă frecvență care nu se referă la aplicație. Când se dezvoltă circuitul front-end pentru acest tip de măsurare, rejectarea zgomotului și lățimea de bandă sunt preocupări principale. Odată cu creșterea lățimii de bandă, zgomotul poate crește și el. Filtrele low-pass trebuie, de asemenea, folosite în majoritatea circuitelor de condiționare a accelerometrului pentru a reduce efectele de zgomot și aliasing. Frecvența de tăiere a filtrului trece-jos trebuie să fie apropiată de frecvența maximă utilă de funcționare a sistemului.

Referințe:

Compendiu de vibrații

Analizoare dinamice de semnal (măsurători portabile de sunet, vibrații și răspunsuri la forță)