|
|
|
ТЕПЛОВЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫПринцип действия такого устройства основан на передаче тепла методом принудительной конвекции. Как указывалось в главе 3, тепло может передаваться тремя способами: за счет теплопроводности, конвекцией и излучением. Конвекция может быть естественной (обусловленной силой гравитации) и принудительной (для той требуется применение внешних устройств, к примеру, вентилятора). В акселерометрах с нагреваемым газом (АНГ) источником такой внешней силы является ускорение. Такие датчики определяют внутренние изменения в процессах теплопередачи в замкнутом объеме газа. АНГ функционально эквивалентны традиционным акселерометрам с инерционной массой. В данном случае в роли инерционной массы выступает неравномерно нагретый газ. Такая инерционная масса обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной твердотельной массой. Акселерометры с нагреваемой пластиной Поскольку принцип действия акселерометров заключается в определении перемещения инерционной массы, для проведения таких измерений можно воспользоваться основной формулой теплопередачи (см. уравнение (3.125) главы 3). Тепловой акселерометр, как и любой другой датчик ускорений, состоит из инерционной массы, подвешенной на тонкой консольной балке, расположенной рядом с теплоотводящей пластиной или между двух теплоотводящих пластин (рис. 8.7) [5]. Масса и балка изготовлены методами микротехнологий. Пространство между ними заполнено теплопроводящим газом. Масса нагревается при помощи встроенного нагревателя до заданной температуры Tv Когда ускорения нет, между массой и теплоотводами устанавливается тепловое равновесие: количество тепла q и qv переданное пластинам через газ пропорционально расстояниям Мх и Мг Рис. 8.7. Тепловой акселерометр: А — поперечное сечение нагреваемой части, Б — устройство датчика(отображено без крышки) [5]
Температура в любой точке консольной балки, на той
закреплена инерционная масса, зависит от расстояния между ней и опорой х, а
также от величины зазоров от нее до теплоотводов. Ее можно найти из
дифференциального уравнения:
где Wh L — ширина и длина балки, а Р — тепловая мощность. Для измерения температуры на балке формируется детектор температуры, в качестве
того могут выступать интегрированные в балку диоды (в главе 16 приведено
описание применения кремниевых диодов в качестве температурных сенсоров) или
нанесенные на ее поверхность последовательно соединенные термопары. Эта
температура, преобразованная в электрический сигнал, и является мерой величины
ускорения. Чувствительность тепловых акселерометров (порядка 1% от изменения
выходного сигнала, отнесенного Kg) несколько ниже, чем у сенсоров ускорений
емкостного и пьезоэлектрического типов, однако они менее подвержены влиянию
температурных изменений окружающей среды, а также электромагнитных и
электростатических помех.
Акселерометры с нагреваемым газом Другой интересный акселерометр использует в качестве инерционной массы — газ. Такой акселерометр разработан MEMSIC Corporation. Он изготовлен на КМОП кристалле и является двухосевым измерителем ускорений. Главным достоинством является высокий уровень допустимых перегрузок (до 50 000g), что значительно повышает их надежность. Датчик состоит из пластины, примыкающей к герметичной полости, заполненной газом. В пластине вытравлено углубление. В центре кремниевой пластины над углублением подвешен нагреватель (рис. 8.8). На пластине установлены четыре датчика температуры: термоэлементы из алюминия и поликремния (ТЭ). ТЭ расположены на одинаковом расстоянии с четырех сторон от нагревателя (две оси). Отметим, что ТЭ определяют только градиент температур, поэтому левый и правый ТЭ можно считать одним ТЭ, где левая часть соответствует холодному спаю, а правая — горячему (см. раздел 16.2 главы 16, где описан принцип действия термопар). В данном случае ТЭ используются вместо термопар с единственной целью: увеличить электрический выходной сигнал. Другая пара ТЭ применяется для определения градиента температур вдоль оси у. 
Рис. 8.8.А — поперечное сечение АНГ вдоль оси х. Нагретый
газ располагается симметрично вокруг нагревателя, Б — ускорение заставляет
нагретый газ смещаться вправо, что приводит к перепаду температур
При нулевом ускорении распределение температуры внутри
полости с газом симметрично относительно источника тепла, поэтому все четыре ТЭ
детектируют одинаковую температуру, что приводит к нулевому выходному
напряжению в каждой паре чувствительных элементов. Нагреватель разогревается до
температуры выше температуры окружающей среды (обычно около 200°С). На рис. 8.8А отображены два ТЭ, измеряющих градиент температуры вдоль оси х. Из рисунка
видно, что наибольшая температура газа наблюдается рядом с нагревателем, и она
довольно резко падает ближе к краям, где
расположены ТЭ. Когда на газ не действуют никакие силы,
температура имеет конусообразное распределение вокруг нагревателя, при этом
температура левого ТЭ Т] равна температуре Т2 правого ТЭ. Ускорение
акселерометра в любом из направлений из-за конвекционной теплопередачи изменит
температурный профиль, который станет несимметричным. На рис. 8.8Б отображено, как
изменится температурный профиль при ускорении а, направление того указано
стрелкой. Под действием ускорения теплые молекулы газа смещаются к правому ТЭ,
передавая ему часть своей энергии. В результате этого температуры, а,
следовательно, и выходные напряжения правого и левого ТЭ перестанут быть
равными (Т] < Т2). Разница температур AT, а значит, и напряжение между
выходами ТЭ прямо пропорциональна ускорению. В данной конструкции существует
два идентичных измерительных канала, позволяющих определять ускорение вдоль оси
х и оси у.
АНГ способны измерять ускорения в диапазоне +l...+100g. Такие акселерометры могут определять и динамическое ускорение (к примеру,
вибрации), и статическое ускорение (к примеру, ускорение свободного падения). Аналоговые выходные напряжения снимаются с чипа как в абсолютном, так и в
относительном виде. Абсолютное выходное напряжение не зависит от приложенного
напряжения, а относительное — пропорционально ему. Типичный шумовой порог для
АНГ ниже 10~3#/Гц, что позволяет на очень низких частотах измерять
субмиллиметровые сигналы ускорения. Быстродействие датчика, т.е. его
способность детектировать быстрые изменения ускорения, зависит от его
конструкции. 3-дБ спад частотной характеристики для типового АНГ происходит на
частоте около 30 Гц. Этот диапазон может быть расширен до 160 Гц с применением
компенсационных схем.
рекомендуется отметить, что чувствительность выходного сигнала АНГ
меняется при изменении окружающей температуры (рис. 8.9). Для компенсации этого
изменения в чип акселерометра встраивается температурный датчик (резистивный
детектор температуры или кремниевый переход).
Рис. 8.9. Чувствительность теплового акселерометра к
окружающей температуре
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
