Development of the acceleration measuring method

Abstract

Проаналізовано наявні методи вимірювання пришвидшень, наведено сучасні дослідження з даної тематики та розроблено новий метод у вигляді електричної схеми з використанням генератора стабільної частоти. Серед уже відомих методів виділено три такі групи – на підставі компенсаційних акселерометрів з дискретним виходом, на підставі акселерометрів з аналого-цифровим перетворювачем та методи вимірювання з використанням навісних елементів. Основною відмінністю запропонованого методу від наявних є використання в його схемі двох резонансних контурів із вбудованими давачі ємності, розроблених за технологіями мікроелектромеханічної системи. Описано принцип роботи пристрою вимірювання пришвидшення, наведено його структурні схеми та проаналізовано особливості функціонування його складових. Наведено основні переваги застосування запропонованого методу та описано його технічну відмінність від уже впроваджених, що полягає також у використанні додаткового трансформатора. На підставі запропонованого методу вимірювання пришвидшення у вигляді електричної схеми досліджено робочі частотні характеристики пристрою, описано етапи перетворення сигналів акселерометра та наведено форми вхідних і вихідних сигналів. Використання двох резонансних кіл у вбудованих давачах потужності та генератора стабільних частот у схемі приладу вимірювання пришвидшення дає змогу визначати зміни частотних характеристик у резонансних контурах з мінімальними змінами потужності в ємнісних давачах. Остаточне значення частоти є лінійним в діапазоні частот акселерометра, оскільки частотні характеристики першого і другого резонансних кіл є зворотними і симетричними відносно горизонтальної осі. Особливістю розробленого нового методу вимірювання пришвидшень є можливість використання цієї схеми при дуже низьких вхідних напругах. Завдяки запропонованому методу можна досягти підвищення точності вимірювання пришвидшення, розширення робочих можливостей самого пристрою, а це дає змогу застосовувати його в умовах вібрації та зміни положення.

The existing acceleration measuring methods are analyzed in the article. An overview of modern research on this topic is also provided. A new method of measuring acceleration in the form of an electrical circuit using a stable frequency generator is developed. Among the already known methods, the following three groups are highlighted in the analysis: methods based on compensatory accelerometers with discrete output; methods based on accelerometers with the analog-to-digital converter; measurement techniques, which use mounted elements. The main difference between the proposed method and the existing ones is the use of circuits of two resonant circles with built-in capacitance sensors, developed according to microelectromechanical system technologies. The principle of operation of the acceleration measuring device is described in the article, and its structural diagrams are provided. The peculiarities of the functioning of its components are analyzed. The main advantages of using the proposed method are highlighted. It is described the technical difference of this method from those already implemented ones, which also lies in the presence of an additional transformer. Based on the proposed method of measuring acceleration in the form of an electrical circuit, the operating frequency characteristics of the device are investigated. The stages of conversion of accelerometer signals are described in the article as well as the forms of input and output signals. The use of two resonant circles within built capacity sensors and the stable frequencies generator in the scheme of acceleration measuring device allows for measurement of the frequency characteristics changes in resonant circuits with minimum capacity changes in sensors. The resulting frequency value is linear in the range of the accelerometer frequency due to the frequency characteristics of the first and second resonance circles, which are reversed and symmetrical about the horizontal axis. A feature of the developed new measurement method is the possibility of using this scheme at very low input voltages. Due to the proposed method, it is possible to increase the accuracy of acceleration measurement and expand the working capabilities of the device. In its turn, it allows applying this device in vibration and position variation conditions.