Общие сведения. Ускорение — динамическая характеристика объекта

Ускорение — динамическая характеристика объекта. Согласно второму закону Нью­тона оно возникает только после приложения к объекту какой-либо силы. Переме­щение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физически­ми величинами: скорость — это первая производная от перемещения, ускорение — его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приводит к возникновению очень боль­ших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. По­этому скорость и ускорение объектов нельзя определять по данным, полученным при помощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять специ­альные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и пе­ремещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемеще­ния соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.

Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показы­вает насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выра­жаться, например, в мм/с или миль/час.

В настоящее время разработана глобаль­ная система навигации, позволяющая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вок­руг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний спутниковые системы не подходят. Здесь как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав са­мого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемеще­ние объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и уско­рения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индук­тивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо про­порционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

В электромагнитных датчиках скорости оба конца магнита находятся внутри катушки. При та­кой конструкции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, посколь­ку напряжения, индуцируемые разными концами магнита будут взаимно уничто­жать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Се­верный полюс магнита индуцирует ток в одной половине катушки, а южный - в другой (рис. 8.1). Обе катушки подключены последовательно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого устройства пропорци­онален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скоро­сти определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схе­мы, а минимальное — уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств переменного тока. В таблице 8.1 приведены типовые характеристики электромагнитного датчика скорости. Такие датчики очень похожи на детекторы положения на основе ЛРДТ, за исключением того, что ЛРДТ с подвижным ферромагнитным сердечником относится к актив­ным устройствами, в то время как сенсоры скорости являются пассивными, и в них движущимся элементом является сам постоянный магнит. Это означает, что они сами по себе являются генераторами тока и им для их работы не требуется сигнал возбуждения. Очевидно, что линейные датчики скорости детектируют ско­рость в пределах расстояния, ограниченного их размерами, поэтому они в основ­ном используются для измерения скорости вибраций. Угловой датчик скорости, реализованный на этом же принципе, непрерывно меряет скорость вращения, и в них нет ограничений на количество оборотов.