Регистратор динамических параметров колебаний на основе МЭМС-акселерометра

В настоящее время для измерения скорости колебаний в диапазоне ультразвуковых частот применяются электромеханические велосиметры, в то же время за последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Применение данных устройств обусловлено рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей, что обуславливает их высокую надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи).

МЭМС-датчики основаны на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы — классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение — это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение [1].

Рис. 1. МЭМС-акселерометр разработки Sandia Labs

Разработано устройство записи динамических параметров колебаний основанное на применении трехосевого МЭМС-акселерометра. В качестве основного датчика в разработанном устройстве использована 6-осевая измерительная система (гиродатчик + акселерометр) МЭМС MotionTracking™ MPU-6050 производства InvenSense, Inc.

Устройство записи динамических параметров колебаний состоит из МЭМС-акселерометра, карты памяти, контроллера, таймера и блока питания 12V (Рисунок 2). Устройство может быть оснащено GPRS GSM модулем для передачи данных по беспроводной сети, что позволит получать данные дистанционно.

Рис. 2. Схема устройства записи динамических параметров колебаний

Регистрируемые динамические параметры колебаний: Аx, Ау, Аz — угловые скорости, wx, wу, wz — угловые ускорения, temp — температура. Регистрация динамических параметров колебаний производится с периодичностью 20 раз в секунду.

МЭМС-акселерометр измеряет проекцию ускорения (суперпозицию собственного ускорения акселерометра и вектора гравитации) на его чувствительную ось. МЭМС-акселерометр позволит измерять углы наклона сенсора в пространстве. В начальной позиции положение устройства такое, при котором оси x и y находятся в плоскости горизонта, а ось z ортогональна осям x и y (Рисунок 3).

Рис. 3. Схема осей для трехосевого акселерометра

Значения углов могут быть вычислены по следующим формулам [2]:

Для наработки базы экспериментальных данных проведены измерения динамический параметров колебаний стальной антенной опоры высотой 30м.

Запись динамических параметров колебаний происходила в течение 12ч. при ветре до 8м/с.

На рисунке 4 приведены результаты записи динамических параметров колебаний соответствующие трехминутному временному интервалу.

Рис. 4. График изменения угла α вектора гравитации относительно оси Х

Рис. 5. График изменения угла β вектора гравитации относительно оси Y

Рис. 6. График изменения угла γ вектора гравитации относительно оси Z

Наблюдается ярко выраженный периодический колебательный процесс.

При дальнейшей обработке данных анализом Фурье получены значения частоты основного тона 0,429 Гц (период собственных колебаний 2,33 сек).

Рис. 7. Графики частот основного тона колебаний

Полученные значения частот колебаний по трем направлениям имеют идентичное значения, что позволяет судить о достоверности полученных данных.

Приведенный пример демонстрирует имеющиеся аппаратурно-методические возможности, которые позволяют развивать новые практически важные (т. е. инновационные) технологии, применимые для обеспечения безопасности сооружений.

Литература:

1.       Дрожжин Алексей МЭМС: микроэлектромеханические системы [В Интернете] // www.3dnews.ru. — 18. 12. 2010 г.. — 08. 04. 2015 г.. — http://www.3dnews.ru/600098.

2.       Определение угла наклона акселерометром [В Интернете] // www.bitaks.com. — Торгово-производственная компания «Bitaks». — 08. 04. 2015 г.. — http://bitaks.com/resources/inclinometer/content.html.