Kiihtyvyysmittarit mahdollistavat lineaarisen- ja kulmakiihtyvyyden mittaamisen ja analysoinnin. Niitä käytetään jokapäiväiseen käyttöön tarkoitetuissa laitteissa kuten kännyköissä, mutta myös teollisuuden tutkimus- ja kehityssovelluksissa. Tässä komponenttijakelija TME:n toteuttama artikkeli kiihtyvyysmittareiden tekniikoista ja hyödyntämisestä.

Teksti: Transfer Multisort Elektronik sp. z o.o – TME.eu on toteuttanut tämän advertoriaali-artikkelin.

Kiihtyvyysmittareita käytetään staattisen putoamiskiihtyvyyden mittaamisessa, jonka avulla voi määrittää esimerkiksi mitattavan kohteen poikkeamakulma pystysuorasta, sekä dynaamisen kiihtyvyyden mittaamisessa, jonka aiheuttavat tärähdykset, liike, isku tai värinä, eli alhaisen amplitudin ja alhaisen taajuuden värähtely, joka ulottuu muutamaan kymmeneen hertsiin.

Miten kiihtyvyysmittarit käytännössä toimivat? Niitä käytetään yleensä kohteessa, joka värähtelee, minkä ansiosta se muuttaa värähtelyenergiaa sähkösignaaliksi, joka on verrannollinen kohteen hetkelliseen kiihtyvyyteen.

Kyseessä on kiihtyvyyden muunnin, joka mittaa omaa liikettään ympäristössä. Niitä käytetään teollisuudessa esimerkiksi koneiden ja laitteiden toiminnan sekä niiden rakenteiden diagnostiikkaan, jotka ovat alttiita suurille jännityksille. Tässä tarkoitetaan esimerkiksi isojen mastojen, siltojen sekä rakennuskohteiden teräsrakenteita.

Kiihtyvyysmittareita käytetään myös laajalti kulutuselektroniikassa, kännyköissä, kameroissa, älykelloissa ja peliohjaimissa sekä lääketieteellisissä laitteissa ja erilaisissa navigointilaitteissa.

Kiihtyvyysmittarin toiminta

Kiihtyvyysmittareiden perustoimintaperiaate ei ole kovin monimutkainen. Se mittaa kiihtyvyysvoimaa yksikössä G ja voi tehdä näitä mittauksia yhdessä, kahdessa tai kolmessa tasossa. Nykyään suosituimpia ovat 3-akseliset kiihtyvyysmittarit, joista jokainen niistä mittaa kiihtyvyyttä eri suuntaan – tasoissa X, Y ja Z.

Jos kiihtyvyys toimii missä tahansa tasossa eri suuntaan kuin se, mihin anturi on kohdistettu, kiihtyvyysmittari mittaa kiihtyvyyttä, jolloin arvo on negatiivinen.Päinvastaisessa tilanteessa mitattavan kiihtyvyyden arvo on positiivinen. Jos kiihtyvyysmittariin ei vaikuta mikään ulkoinen kiihtyvyys, anturi mittaa ainoastaan putoamiskiihtyvyyttä, eli painovoimaa.

Jos 3-akselinen kiihtyvyysmittari on sijoitettu siten, että anturi X-akselissa on kohdistettu vasemmalle, anturi Y-akselissa alas ja anturi Z-akselissa eteenpäin niin silloin mitkään voimat eivät vaikuta siihen. Kiihtyvyysmittari tarjoaa arvot: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g.

Jos sama kiihtyvyysanturi kallistetaan vasemmalle, se osoittaa arvot X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Vastaavasti, jos kallistus tapahtuu oikealle, X-taso osoittaa arvon X =  -1 g. Kaikkia kiihtyvyyden riippuvuuksia valvotaan järjestelmäalgoritmien avulla.

Kolme erilaista kiihtyvyysmittarityyppiä

Kiihtyvyysmittareita on tarjolla kolmenlaisia: Kapasitiivisia MEMS-pohjaisia, pietsosähköisiä ja pietsoresistiivisiä kiihtyvyysmittareita. Niistä MEMS-tekniikkaa hyödyntävät kapasitiiviset ovat halvimpia, yleisimpiä ja pienimpiä markkinoilla.

MEMS-pohjaisten kapasitiivisten kiihtyvyysmittareiden toimintaperiaate perustuu jousilla asetetun kuorman sijoittamiseen. Jousien yksi pää on kiinnitetty kampakondensaattorin koteloon ja toinen asennettuun kuormaan.

Anturiin vaikuttavan voiman alaisena kuorma liikkuu jousilla, mikä aiheuttaa tiivistyskomponentin ja massan välisen etäisyyden muutoksen ja samalla tuottaa kapasitanssin muutoksen.

Kapasitiivisia MEMS-kiihtyvyysmittareita käytetään esimerkiksi puettavan elektroniikan laitteissa kuten älykelloissa, mutta myös mobiililaitteissa sekä laajasti erilaisessa käyttöelektroniikassa. Yksi MEMS-kiihtyvyysmittareiden suurimmista eduista on mahdollisuus käyttää niitä suoraan piirilevyllä. Niiden heikkouksiin kuuluu alhainen mittaustarkkuus, varsinkin korkeampien amplitudien ja taajuuksien tapauksessa, jonka takia anturityyppiä ei voida soveltaa rankempiin teollisuussovelluksiin.

Pietsoresistiiviset kiihtyvyysmittarit

Seuraava kiihtyvyysmittari  on anturi, joka hyödyntää pietsoresistiivistä ilmiötä. Sen toimintaperiaate on samantapainen kuin perinteisissä venymäliuska-antureissa, jossa mitataan jännitteen muutosta.  Nyt mittari on varustettu pietsoresistiivisellä materiaalilla, joka muuttaa muotoaan ulkoisen voiman vaikutuksen alaisena, aiheuttaen resistanssin muutoksen.

Resistanssin muutos muuttuu sen jälkeen sähkösignaaliksi, jota vastaanottaa kiihtyvyysmittarin kanssa integroitu vastaanotin. Pietsoresistiivisten kiihtyvyysmittareilla on laaja mittauskaista, jonka ansiosta ne pystyvät havaitsemaan värähtelyä, jolla on korkeat amplitudit ja taajuudet, mikä on kätevää esimerkiksi erilaisten törmäystestien mittauksissa.

Pietsoresistiivisten kiihtyvyysmittareilla voidaan mitata myös hitaasti muuttuvia signaaleja, mikä mahdollistaa niiden käyttämisen itsesäisesti toimivissa inertia-pohjaisissa paikannusjärjestelmissä tai mikropiirien komponenttien nopeuden ja siirtymän laskemiseksi.

Pietsoresistiivinen kiihtyvyysmittari vaatii lämpötilan kompensointi, koska se ei kestä ympäristölämpötilan muutoksia. Lisäksi pietsosähköisillä kiihtyvyysmittareilla on ongelmia heikkojen signaalien havaitsemisessa: Ne ovat myös huomattavasti kalliimpia kuin MEMS-pohjaiset kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit.

Pietsosähköiset kiihtyvyysmittarit

Pietsosähköinen kiihtyvyysmittari on yksi käytetyimmistä värähtelytason mittaamiseen tarkoitetuista malleista. Niitä käytetään laajalti koneiden ja laitteiden diagnostiikkaan ja valvontaan tarkoitetuissa teollisuussovelluksissa.

Pietsosähköisten kiihtyvyysmittarin toiminta muistuttaa edellä esitetyn pietsoresistiivisten mikropiirien toimintaperiaatetta. Kiihtyvyyden alaisena ne eivät kuitenkaan muuta resistanssiaan, vaan ne generoivat tietyn arvoista jännitettä. Mittauskomponenttina on yleensä lyijyzirkonititanaatti (PZT), joka muotoa muuttaessaan, luo sähkövarauksen.

Pietsosähköisten kiihtyvyysmittareiden ominaisuuksia ovat hyvä herkkyys ja tarkkuus, minkä ansiosta niitä käytetään esimerkiksi erittäin kehittyneistä ja tarkoista seismisistä mittauksista, epäsuotuisissa olosuhteissa suoritettaviin törmäys- ja rikkoviin testeihin. Niiden lähtösignaalia yleensä vahvistetaan ja samalla tehdään lämpötilakompensaatio. Kohteen siirtymämittaus tukee myös signaalin lähettämistä integraattorituloon.

Muut kiihtyvyysmittarityypit

Muista kiihtyvyysmittarimalleista rakenteista täytyy mainita vielä IEPE-rakenteet, joita käytetään yleisesti värähtelymittauksiin. Lisäksi kannattaa kiinnittää huomiota myös varauslähtöisiin pietsosähköisiin kiihtyvyysmittarimalleihin, jotka toimivat hyvin äärimmäisissä lämpötiloissa.

Teksti: Komponenttijakelija TME (LINKKI):n tuottama advertoriaali-artikkeli kiihtyvyysmittareiden tekniikoista.

Aloituskuva: TME