Конвекционного акселерометра

Идея создания нового типа акселерометра возникла на основе опыта изучения конвективных течений, которые чувствительны в внешним воздействиям (в частности, инерционным воздействиям). На физическом факультете Пермского Государственного Университета в рамках работ по гранту РФФИ (Урал-2007

Одним из существующих аналогов является однокристальный конвективный акселерометр MXD2020E, производимый компанией MEMSIC [4]. Для сопоставления датчика, разработанного в ПГУ, и датчика MXD2020E в Горном институте УрО РАН был создан стендовый образец системы регистрации сейсмических сигналов.

Принцип работы тепловых акселерометров MEMSIC основывается на тепловой конвекции и заключается в измерении величины смещения прогретой области газа (сейсмической массы) при его движении с ускорением в герметичной воздушной полости над полупроводниковой подложкой в корпусе датчика. «Сердцем» тепловых акселерометров, разработанных компанией MEMSIC, является размещенный на полупроводниковой подложке блок с нагревательным элементом и симметрично расположенными вокруг него термопарами. При подаче напряжения питания над нагревательным элементом образуется область нагретого воздуха шарообразной формы. Максимальная температура газа в герметичной полости приходится на центр этой области и постепенно спадает по мере удаления от нагревательного элемента. Расположенные вокруг нагревательного элемента термопары регистрируют температуру окружающего их воздуха и формируют сигнал для схемы его обработки. В статическом режиме (в отсутствие ускорения) температура воздуха над термопарами будет постоянной. При приложении к акселерометру внешнего воздействия силы, вызывающей инерционное ускорение, например вибрации, область нагретого воздуха, расположенная над центром нагревательного элемента, смещается в сторону направления воздействия, поскольку плотность холодного воздуха вокруг шара выше, чем теплого воздуха над нагревательным элементом. В результате батареей термопар будет зафиксировано изменение температуры окружающего их воздуха (температурный градиент), влияющее на их сопротивление. С выходов дифференциальной конфигурации термопар снимается дифференциальный сигнал, пропорциональный ускорению, по разности значений которого определяется величина и направление внешнего воздействия [3].

Данный интегральный акселерометр имеет две оси чувствительности и соответствующие им цифровые выходные сигналы. Также для корректировки получаемых данных в зависимости от температуры датчик имеет выходной непрерывный сигнал пропорциональный температуре кристалла. Выходной сигнал представляет собой прямоугольные импульсы (рис. 1), следующие с периодом Т2=0.01 с. Ширина импульса T1 пропорциональна ускорению на соответствующем направлении. Таким образом ускорение А определяется по формуле (1):

• 
  измеряется канал Х (вход Y нечувствителен);
  
• 
  ожидается приход фронта сигнала;
  
• 
  при получении фронта выполняется процедура прерывания, которая запускает заполнение счетчика импульсов;
  
• 
  ожидается спад сигнала;
  
• 
  при получении спада значение счетчика записывается в память и обнуляется, счетчик продолжает заполняться;
  
• 
  выключается канал Х, включается канал Y (фронт сигнала происходит одновременно на обоих каналах); ожидается фронт сигнала на канале Y;
  
• 
  при получении фронта значение счетчика снова записывается в память, счетчик обнуляется и продолжает считать уже длину положительного импульса канала Y;
  
• 
  полученные два значения в памяти определяют ускорение на канале X;
  
• 
  последующие два значения будут определять ускорение на канале Y.
  

При проведении градуировки датчика дифференциальной медь-константановой термопарой (38.5 мкВ/°С) измерялась температура корпуса датчика, который находился в теплоизолированной системе, по отношению к известной температуре. Полученные коэффициенты температурной шкалы приведены в формуле (2):

где – чувствительность самого прибора, по умолчанию равна 1;

Процедура расчета температурных коэффициентов и корректировки ускорения производится по формуле (3):

где – скорректированное значение ускорения,

В экспериментах по определению угла наклона оси чувствительности Х или Y датчика к плоскости горизонта чувствительность датчика пропадает в интервале угла наклона 80-100 градусов. В этом интервале датчик выдает хаотично меняющиеся значения. Также с ростом угла значения, рассчитываемые программно по результатам термопарных измерений смещения теплового поля, уменьшаются по сравнению с реально заданным углом наклона. Опыт с наклонной плоскостью показал, что температурные сигналы по осям чувствительности Х и Y, по которым находится угол наклона, практически совпадают [3].

1. 
   Сейсмоприемник на основе ячейки Хеле-Шоу / Бабушкин И.А.,
   Глухов А.Ф., Дёмин В.А., Маловичко Д.А., Дягилев Р.А. // Прикладная физика. − 2008. − №3. – С. 134-140.
   
2. 
   Сейсмологические измерения с помощью конвективного датчика / Кондрашов А.Н., Бабушкин И.А., Дёмин В.А., Дягилев Р.А., Маловичко Д.А. // Зимняя школа по механике сплошных сред (шестнадцатая). Механика сплошных сред как основа современных технологий [Электронный ресурс] / ИМСС УрО РАН. – Пермь, 2009. – 1 электрон. опт. диск. (СD-ROM).
   
3. 
   Гравитационно-чувствительные приборы на основе конвективных течений / Плетенев С.Г., Бабушкин И.А., Дягилев Р.А., Маловичко Д.А. // Зимняя школа по механике сплошных сред (шестнадцатая). Механика сплошных сред как основа современных технологий [Электронный ресурс] / ИМСС УрО РАН. – Пермь, 2009. – 1 электрон. опт. диск. (СD-ROM).
   
4. 
   MEMSIC [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.memsic.com.