Czym jest akcelerometr ?

Już w poprzednim wpisie na temat wprowadzenia do wibracji dopuściłem się kilku słów klaryfikacji na temat akcelerometrów. Pozwolę sobie przypomnieć cytując własnego siebie  (ahh ohh) :

„Wewnatrz akcelerometru znajduje się pewna masa (czyli jakiś cięzarek) która reguje na przyspieszenie całego akcelerometru (gdyż posiada pewną bezwładność)  i wchodząc w interację z kryształem powoduje, że ten drugi generuje napięcie. Jak podpowiada rozsądek – ilość tego napięcia jest proporcjonalna do wielkości przyspieszenia któremu nasz przetwornik jest poddawany.„

Chcę jednak rozwinąć nieco temat przybliżając specyfikację tych małych twardzieli.

Ilość pobudzenia kryształu piezoelektrycznego jest początkowo mierzona w piko Kulombach / g (zapisywane jako pC/g). Jak pamiętamy z fizyki piko to 10^-12 (ten zapis oznacza 10 do potęgi -12 i bedę trzymał się tej notacji gdy tylko zajdzie potrzeba).  Nie chodzi tu naturalnie o liczbę Krzysztofów przypadających na gałąź drzewa ale o ilość ładunku elektrycznego wygenerowanego przez jednostkę przyspieszenia ziemskiego. Sygnał ten najczęściej przechodzi przez tzw. wzmacniacze (sygnałów), które przeistaczają pC/g na mV/g czyli piko Kulomby ustępują miejsca mili Woltom. Mili to 10^-3.

Ilość owych mV jest dyktowana tak zwaną czułością (ang. sensitivity) akcelerometru. Zagadnienie czułości przybliżę sposługując się prostą analogią porównanując czułości Terminatora i Michała Piróga. Wyobraźmy sobie, że obaj oglądają kluczowe sceny Titanica. Myślę, że z dość wysokim prawdopodobieństwem można założyć iż ten pierwszy wzruszyłby się (w skali od 1-10) w granicach 0.01, ten drugi natomiast oscylowałbym w granicach 9.95 (wartości oszacowałem bazując na historii).

Tak samo jest z akcelerometrami. Te posiadające  niską czułość będą potrzebowałby większego pobudzenia (większych drgań) aby osiągnąć daną wartość napięcia, niż te o czułości dużo wyższej. Dobór czułości zależy od celu pomiarów i szacowanych wartości wibracji. Do mocnych wibracji (vide do oglądania horrorów) najczęściej dobierać będziemy akcelerometry o niskiej czułości i vice versa.

Najczęsciej spotykane czułości akcelerometrów piezoelektrycznych wahają się w granicach od 0.5 do 1000 pC/g.

Akcelerometry są projektowane tak, aby dawać wiarygodne wskazania przyspieszenia w z góry założonym przedziale częstotliwości drgań. Jest to drugi element (oprócz w/w czułości), który trzeba rozważyć przy poprawnym doborze przetwornika dla danego zadania. Najczęściej spotykane wartości poprawnej pracy akcelerometru to od 1-2Hz  do 8 – 10 kHz.

Gdy jest wiadomo jak mocne wibracje będą mierzone i z jakimi częstotliwościami będą one występować wybór akcelerometru jest sprawą relatywnie łatwą.

Niejako w post scriptum zaznaczę, że nawet jeśli zakres poprawnej pracy akcelerometru to „jedynie” od 1Hz do 10kHz nie oznacza to, że nie będzie on działał poza tymi regionami. On ‚coś’ będzie wskazywał jednak w większości wypadków nie będą to wskazania wiarygodne. Bierze się to z faktu, że każdy akcelerometr ma tak zwany obszar drgań własnych (ang. resonance frequency) tj. zakres częstotliwości w których akcelerometr wpada w tzw. rezonans czyli drga z amplitudą dużo większą niż amplituda która w rzeczywistości na niego oddziałuje. Uderz paznokciem w pustą szklankę a usłyszysz charakterystyczne ‚piiinngg‚. Uderzając paznokciem pobudzamy szklankę całym szeregiem częstotliwości, ale to co słyszymy jest jedynie niewielką ich częścią – są to częstotliwości tylko w zakresie drgań własnych szklanki.

Nota bene każdy przedmiot, organizm lub składowa danego organizmu posiada częstotliwość drgań własnych i długotrwała ekspozycja na owe częstotliwości może w krótkim czasie doprowadzić do poważnych konsekwencji, w tym destrukcji. Jest to bardzo ważny element projektowania np. platform wiertniczych  na morzach i oceanach gdyż filary na których wspiera się cała konstrukcja nieustannie bombardowane są falami z bardzo powtarzalną częstotliwością (zależną od warunków pogodowych). Ważnym jest aby owa częstotliwość rozmijała się z częstotliwością drgań własnych filarów.

Spójżmy na autorski wykres poniżej: akcelerometr wzmacnia amplitudę drgań ze stałym poziomem (najczęściej ‚1’ czyli wiernie oddaje faktyczne wibracje) jednak w pewnym momencie wzmocnienie szybuje do góry. Jest to obszar zazwyczaj projektowany w granicach 2 lub 3x wyższych od maksymalnej, akceptowalnej granicy pracy akcelerometru (w naszym przypadku 3x10kHz). Są to obszary częstotliwości których w większości przypadków się unika, jednak czasem jest to obszar w który z premedytacją się ‚wchodzi’ (np. w diagnostyce łożysk).