İvmeölçer için merkez kütlenin hareketi yeterli olsa da, tasarımında çeşitli algılama yöntemleri kullanılır.

Potansiyometreli İvmeölçer

En basit ivmeölçer türlerinden biridir. Merkez kütleyi potansiyometrenin değiştirici koluna tutturarak, kütlenin konumu değiştiğinde değişen ivme, değişen dirence dönüştürülür.

Potansiyometreli İvmeölçer
Potansiyometreli İvmeölçer

Bu cihazların doğal frekansı genellikle 30 Hz’in altındadır. Dolayısıyla düşük frekanslı titreşimlerin ölçüldüğü uygulamalarda kullanılır. Dinamik çalışma aralığı da sınırlıdır. Ama 0 Hz’e kadar (DA cevabı) ölçüm yapabilir.

Kapasitif İvmeölçer

İvmelenme halinde elektriksel sığadaki değişimle ivme ölçülür. Tekli ya da diferansiyel kapasitör kullanılabilir. Diferansiyel kapasitörler daha yaygındır.

Merkez kütle için kullanılan bir zar, ivmelenme halinde hareket eder. Zar, iki sabit plaka arasına yerleştirilerek, iki kapasitör oluşturulmuş olur. Her birinin tek bir sabit plakası vardır ve merkez kütle görevindeki zarı paylaşırlar. Zarın yer değiştirmesi, iki paralel plaka arasındaki mesafenin ve dolayısıyla sığanın değişmesine neden olur. Sığanın değişmesiyle de oluşan elektriksel değişimden ivme hesaplanır.

Kapasitif algılama çoğunlukla MEMS (mikro elektromekanik sistem) ivmeölçerlerde kullanılır. Potansiyometreli ivmeölçerlerde olduğu gibi kapasitif ivmeölçerler de kesin DA cevabı verirler ama frekans ve dinamik çalışma aralığı kısıtlıdır.

Piezoelektrik İvmeölçer

Piezoelektrik etki kullanılır. Piezoelektrik malzemeye kuvvet uygulandığında şekilleri değişir ve elektrik yükü oluşur.

Piezoelektrik ivmeölçerlerde etkin öğe piezoelektrik malzemedir. Piezoelektrik malzemenin bir tarafı sabit gövdeye tutturulur. Merkez kütle de malzemenin diğer tarafında tutturulur. İvmeye bağlı kuvvet uygulandığında, piezoelektrik malzeme şekil değiştirerek elektrik yükü oluşur. Üretilen yük, uygulanan kuvvetle dolayısıyla ivmeyle doğru orantılıdır. Sinyal biçimlendirme devreleri ve yükselteçler kullanılarak üretilen yük gerilime dönüştürülür.

Piezolektrik İvmeölçer
Piezoelektrik İvmeölçer

Diğer türlerle kıyaslandığında bu türün artı yönleri şunlardır:

  • Geniş dinamik çalışma aralığı
  • Geniş frekans çalışma aralığı
  • Mükemmel doğrusallık
  • Hareketli parçalar olmadığı için yıpranma ve aşınma olmaması
  • Dışarıdan güç kaynağı gerektirmemesi

Bununla birlikte değişken ivme sadece piezoelektrik ivmeölçerlerle ölçülebilir. Ama DA cevabını ölçemezler.

Piezodirenç İvmeölçer

Strain gauge gibi piezodirenç malzemelerin kullanıldığı türdür. İvmeye bağlı kuvvet uygulandığında bu malzemelerin direnci değişir. Dirençteki değişim denetlenerek ivme ölçülür. Piezodirenç öğeler genellikle mikro makinelerde kullanılır. Tutarlı DA cevabı verir. ±1000 g’ye kadar ölçüm yapabilecek şekilde tasarlanabilir.

Piezodirenç İvmeölçer
Piezodirenç İvmeölçer

Değişken Endüktanslı İvmeölçer

Çalışma ilkesi LVDT (doğrusal değişken diferansiyel transformatör) ile çok benzeyen değişken endüktanslı ivmeölçerler tasarlanabilir. Burada merkez kütle ferromanyetik malzemeden yapılır ve sargının içine ya da dışına hareket edebilen çekirdek olarak tasarlanır. Gövde ivmelendiğinde, merkez kütle hareket eder. Merkez kütlenin sargının içinde kalan parçası değiştiği için empedans değişir. Böylece sargı empedansı uygulanan ivmenin bir işlevi olarak elde edilir.

Değişken Endüktanslı İvmeölçer
Değişken Endüktanslı İvmeölçer

Hall Etkili İvmeölçer

Manyetik alandaki değişim sonucu oluşan gerilim değişimi ölçülür. Merkez kütleye bir mıknatıs yerleştirilirse, hall elemanı uygulanan kuvvete bağlı olarak oluşan manyetik alan değişimini algılayarak buna göre değişen çıkış verir. Hall gerilimi ivmeye bağlı değişir.

Hall Etkili İvmeölçer
Hall Etkili İvmeölçer

Manyetodirenç İvmeölçer

Manyetodirenç etkiye göre, manyetik malzeme değişken manyetik alana maruz kaldığında direnci değişir. Hall etkili ivmeölçerden tek farkı, Hall elemanı yerine manyetodirenç malzeme kullanılmasıdır. Böylece değişen dirence göre uygulanan ivme ölçülür.

FBG Temelli İvmeölçer

FBG (fiber optik Bragg ızgarası) küçük bir fiber optik parçasında üretilen dağınık Bragg yansıtıcısı türüdür. Işığın belirli dalga boylarını yansıtırken diğerlerini iletir. Fiber geniş spektrumlu ışığı ilettiğinde ve iletilen ışık ızgaraya çarptığında, sinyalin bir kısmı iletilirken diğer kısmı yansıtılır. Yansıtılan sinyal Bragg dalga boyunun ortasındadır. Izgara yüzeyinde zorlama ya da sıcaklık nedeniyle oluşacak herhangi bir değişim Bragg dalga boyunda kaymaya neden olur. Bu özellikle ivmeölçerde merkez kütlenin hareketi algılanır.

FPG temelli ivmeölçerlerde, ivme FPG’deki mekanik yükü etkiler. İvme sonucu FPG’ye uygulanan zorlama Bragg dalga boyunda kaymaya neden olur. Dalga boyundaki kayma da ivmenin seviyesiyle ölçülendirilir.

Gaz Isıtmalı İvmeölçer

İvmeye bağlı olarak ısıdaki içsel değişim ölçülür. Bu türde merkez kütle olarak gaz kullanılır. Gaz bir boşlukta kapatılır ve ısı kaynağı merkezde asılır. İki ya da daha fazla termistör asılmış ısı kaynağından eşit uzaklığa yerleştirilir. Dinlenme halinde (sıfır ivme) gaz denge sıcaklığındadır, ısı değişimi simetriktir ve böylece her iki termistör de eşit sıcaklıktadır.

Gaz Isıtmalı İvmeölçer
Gaz Isıtmalı İvmeölçer

İvme halinde ısı değişimi taşınımlı ısı geçişine bağlı olarak asimetrik olur ve gaz (eylemsizlik nedeniyle) sıcaklık değişimine neden olarak ivmenin tersi yönüne hareket eder. Sıcaklık değişimi de ivmeye göre ölçülendirilir.

MEMS Temelli İvmeölçerler

MEMS (mikro elektromekanik sistem) halihazırdaki cihazların çok küçük hale getirilebildiği büyük boydaki ürünlerin karşılayamadığı çözümleri sunan bir teknolojidir. MEMS karmaşık elektromekanik sistemlerin seri üretim teknikleri kullanılarak, düşük maliyetli ve güvenilirliği yüksek olarak üretilmesini sağlar. Tümleşik sistemleri, sensörleri, eyleyicileri, devreleri vb. tek bir kılıfta güvenilirlik, başarım, maliyet, kullanım kolaylığı vb. üstünlüklerle sunar. Bu teknoloji yaygın olarak zamanın en iyisi MEMS temelli ivmeölçerleri üretmek için kullanılmaktadır.

MEMS Temelli İvmeölçer
MEMS Temelli İvmeölçer

İlk MEMS ivmeölçerlerlerde piezodirenç etki kullanıldı. Bununla birlikte piezodirençlerin duyarlılığı kapasitif algılamaya göre düşüktür. Çoğu MEMS ivmeölçer kapasitif algılama ilkesini kullanır. Yaygın kullanılan bir ivmeölçer hareketli merkez kütle ve mekanik sönümleyiciyle ana gövdeye tutturulmuş plakalardan oluşur. Hareketli plakalar (merkez kütlenin parçası) ve dıştaki sabit plakalar diferansiyel kapasitörleri oluşturur. Uygulanan kuvvetle merkez kütle sapar ve bu sapma kapasitans değişimiyle ölçülür.

 Bir sonraki yazımızda ivmeölçerlerin teknik özelliklerinden bahsedeceğiz.

Kaynaklar:

  • http://www.engineersgarage.com/articles/accelerometer?page=2
  • http://www.engineersgarage.com/articles/accelerometer?page=3