Теперь представим отраслевые знания об акселерометрах.
Будь то бытовая электроника, промышленная автоматика или автомобильные приложения, при мониторинге рабочего состояния и состояния здоровья оборудования необходимо выбрать соответствующий датчик в соответствии со сценарием работы оборудования, чтобы гарантировать, что датчик может точно получить информацию об оборудовании, а также обнаружить, диагностировать и даже предсказать неисправность.
Обнаружение вибрации является практическим методом измерения. Обнаруженные данные о вибрации являются ключевой прогностической переменной для диагностики неисправностей. Акселерометр - это широко используемый датчик для обнаружения вибрации, широко применяемый в бытовой электронике, промышленной автоматизации, автомобильной технике и других областях. Он может собирать информацию о состоянии отдельного устройства или всей системы, а затем предоставлять данные датчика, чтобы облегчить системе прогнозирование состояния устройства или системы.
Существует два основных типа акселерометров - емкостные и пьезоэлектрические. Существуют также тепловые акселерометры, но они реже используются в знакомых нам практических приложениях и не будут приводиться здесь отдельно.
Емкостной акселерометр основан на принципе изменения расстояния между полюсами емкости. При вибрации изменяется расстояние между полюсами емкости, а затем изменяется значение емкости, что и позволяет измерить величину ускорения. На практике, чтобы уловить этот иногда ничтожный сигнал, используется стопка конденсаторов для его усиления.
Пьезоэлектрический акселерометр работает на основе пьезоэлектрического эффекта, который заключается в том, что при приложении напряжения возникает электрический заряд, а при приложении электрического поля - размерная деформация. По сути, это явление взаимодействия механической и электрической энергии. Применяемый в датчике пьезоэлектрический эффект - это положительный пьезоэлектрический эффект, то есть преобразование механической энергии в электрическую, причем величина напряжения пропорциональна величине ускорения.
С быстрым развитием датчиков МЭМС-акселерометр стал первым выбором каждого. Из представленных на рынке продуктов МЭМС-акселерометр в основном использует емкостной принцип действия. Это связано с тем, что пьезоэлектрический МЭМС-акселерометр внутри поддерживается жестким телом. Обычно он может воспринимать только динамическое, но не статическое ускорение, поэтому его применение ограничено. Емкостной МЭМС-акселерометр может воспринимать как динамическое, так и статическое ускорение.
Однако из всей истории развития акселерометров более широкое распространение получили пьезоэлектрические акселерометры, которые отличаются хорошей линейностью, отличным динамическим диапазоном, рабочими характеристиками при высоких температурах и высокой полосой пропускания до сотен кГц. Для экстремальных характеристик пьезоэлектрические по полосе пропускания и шумовым характеристикам, конечно, лучше, но и дороже. В особых случаях, когда емкостные или емкостные МЭМС-акселерометры не удовлетворяют требованиям по производительности, пьезоэлектрические являются хорошим выбором.
Благодаря поддержке МЭМС емкостные акселерометры становятся все более совершенными с точки зрения малых размеров, низкого энергопотребления и более быстрой частотной характеристики. При поддержке МЭМС устройство может не только обеспечить отклик по постоянному току, но и реализовать самотестирование при поддержке АЦП и настроенного фильтра, что привлекло большое внимание при обнаружении вибраций.
Выбор датчиков для обнаружения вибрации
Из приведенной выше таблицы хорошо видно, что емкостной/емкостной МЭМС-акселерометр больше подходит для измерения низкочастотной вибрации из-за своей малой пропускной способности, например, в мобильных телефонах, PCS и других мобильных устройствах. Пьезоэлектрический акселерометр может достичь экстремально высокой пропускной способности и больше подходит для измерения высокочастотной вибрации.
В качестве примера возьмем типичное носимое устройство. При выборе акселерометра для обнаружения вибрации носимые устройства ценят низкое энергопотребление, малые размеры и встроенные функции, позволяющие повысить энергосберегающие характеристики. Низкое энергопотребление всегда является основным показателем для носимых устройств, а размер и интеграция также являются жесткими показателями для носимых устройств.
Это требование ограничивает возможности обнаружения вибрации, поэтому для обнаружения движения и статического ускорения можно выбрать только емкостной МЭМС-акселерометр. Для такого рода приложений не предъявляются высокие требования к полосе пропускания, более десяти кГц - десятков кГц, диапазон требуемого значения g обычно составляет около 1g. Емкостные МЭМС-акселерометры хорошо подходят для такого применения, с той лишь оговоркой, что полоса пропускания устройства и частота дискретизации могут снижаться при малой мощности до уровня, при котором имеющиеся данные об ускорениях не могут быть измерены.
Подобные датчики вибрации можно встретить повсеместно в промышленности, в качестве примера можно привести обнаружение электродвигателей. Вибрационное зондирование при обнаружении электродвигателей обычно используется для выявления следующих неисправностей: состояние подшипников, зацепление шестерен, кавитация насоса, несоосность двигателя, дисбаланс двигателя и состояние нагрузки на двигатель. Для дисбаланса, не согласованного с этим видом неисправности, требования к шумовым характеристикам деталей датчика не являются жесткими, требования к пропускной способности также должны достигать только 5×10× фундаментальной частоты, больше требований заключается в том, что датчик может обнаруживать несколько осей одновременно; дефекты подшипников и шестерен, такие как неисправность на шум и требования к пропускной способности очень высоки, диапазон шума должен контролироваться в "100 мкг /√Гц, в то же время требования к пропускной способности" 5кГц. В этом случае выбор между емкостным и пьезоэлектрическим типом очень тонкий. Если динамический диапазон сцены не очень велик и требования к пропускной способности не высоки, то при возможности выбора емкостного акселерометра пьезоэлектрический тип не будет выбран.
Это также распространенный вариант при современной тенденции к уменьшению разводки и энергопотребления в промышленных беспроводных сенсорных сетях, но только в том случае, если условия сценария достаточно благоприятны, чтобы принять данные меньшей точности. В приложениях, требующих высокого динамического диапазона, широкой полосы пропускания или экстремальных температур, несомненно, будут использоваться пьезоэлектрические акселерометры. Применение пьезоэлектрических акселерометров требует внимания к минимизации чувствительности к внешним шумам и наводкам.
Развитие мирового рынка акселерометрических датчиков
По данным QYResearch, в период с 2016 по 2020 год объем мирового рынка акселерометров достиг 2,057 млрд долл. при совокупном годовом темпе роста 2,28%. Ожидается, что в 2021 году объем мирового рынка достигнет 2,162 млрд. долларов, а в 2027 году - 2,798 млрд. долларов.
Быстро растет и масштаб китайского рынка, который, как ожидается, увеличится с 378 млн. долл. в 2020 году до 579 млн. долл. в 2027 году. Подавляющую часть прироста занимает емкостной МЭМС-акселерометр. Меньшие размеры и более высокая степень интеграции емкостного МЭМС-акселерометра, несомненно, в большей степени соответствуют тенденции развития датчиков во всех сферах жизни. Недостаточные возможности интеграции могут привести к тому, что акселерометр будет неудобно располагаться в скоплении сенсорных устройств.
Большинство МЭМС-акселерометров имеют встроенный АЦП, но некоторые могут достигать более высокой пропускной способности без АЦП, а затем использовать внешний АЦП для обеспечения производительности, в любом случае органично интегрируясь в сенсорную систему. Потребляемая мощность Нет необходимости говорить о том, что в настоящее время существует возможность управления потребляемой мощностью емкостных МЭМС-акселерометров в диапазоне мкА и даже нА.
Компания Join Sunny является производителем инерциальных изделий, акселерометров, в основном выпускающих кварцевые (изгибные) акселерометры и МЭМС-акселерометры. Кварцевый акселерометр также является одним из наиболее продаваемых продуктов компании Join Sunny. Если вы хотите получить более подробную информацию о технических характеристиках и предложениях, пожалуйста, обращайтесь к нам.
Сообщение Просмотров: 0
Поделиться статьей