Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Вы когда-нибудь задумывались, как ваш смартфон отличает верх от низа? Это одна из самых классных функций современных смартфонов.

У всех из них есть встроенное в схему крошечное устройство под названием акселерометр, которое может понимать, когда вы наклоняете его с одной стороны на другую.

Таким образом, ваш смартфон автоматически определяет, когда нужно переключить положение экрана с портретного на альбомное.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоКак работает акселерометр? Взаимодействие ADXL335 с Arduino

Акселерометры широко используются в чувствительных к движению и наклону приложениях с низким энергопотреблением, таких как мобильные устройства, игровые системы, защита дисков, стабилизация изображений, спортивные и медицинские устройства.

Давайте внимательнее посмотрим, что это, что они делают, и как работают.

Как работает акселерометр?

Чтобы узнать, как работают акселерометры, полезно представить шар внутри трехмерного куба.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 1 – Невесомость

Предположим, что куб находится в космическом пространстве, где всё находится в невесомом состоянии, шар просто будет плавать в середине куба.

Теперь давайте представим, что каждая стена представляет определенную ось.

Если мы внезапно переместим куб влево с ускорением 1g (единичное усилие 1g эквивалентно гравитационному ускорению 9,8 м/с2), без сомнения, мяч ударится в стену X. Если мы измерим силу, которую мяч применяет к стене X, мы можем получить выходное значение 1g по оси X.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 2 – Внезапное движение

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы перенесем этот куб на Землю. Мяч просто упадет на стенку Z и применит силу 1g, как показано на рисунке ниже:

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 3 – Сила тяжести

В этом случае куб не перемещается, но мы всё равно получаем значение 1g по оси Z. Это потому, что сила тяжести тянет шар вниз с силой 1g.

Акселерометр измеряет статическое ускорение силы тяжести в приложениях, чувствительных к наклону, а также динамическое ускорение, возникающее в результате движения, удара или вибрации.

Как работает MEMS акселерометр?

Акселерометр MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) состоит из микромеханической структуры, построенной поверх кремниевой пластины.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоАкселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 4 – Внутренняя работа MEMS акселерометра ADXL335

Эта конструкция подвешена на поликремниевых пружинах. Это позволяет конструкции отклоняться, когда к определенной оси применяется ускорение.

Из-за прогиба емкость между неподвижными пластинами и пластинами, прикрепленными к подвешенной конструкции, изменяется. Это изменение емкости пропорционально ускорению по этой оси.

Датчик обрабатывает это изменение емкости и преобразует его в аналоговое выходное напряжение.

Обзор аппаратного обеспечения акселерометра ADXL335

Основой модуля является небольшой трехосный MEMS акселерометр с низким энергопотреблением и с чрезвычайно низким уровнем шума от Analog Devices – ADXL335.

Датчик имеет полный диапазон чувствительности ±3g.

Он может измерять статическое ускорение, вызванное силой тяжести в приложениях, чувствительных к наклону, а также динамическое ускорение, вызванное движением, ударом или вибрацией.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 5 – Обзор аппаратного обеспечения модуля акселерометра ADXL335

Датчик работает при питании от 1,8 до 3,6 В (оптимально 3,3 В) и обычно потребляет ток всего 350 мкА. Однако встроенный стабилизатор 3,3 В делает его идеальным выбором для взаимодействия с микроконтроллерами 5 В, такими как Arduino.

Эта дружественная макетная плата разводит каждый вывод ADXL335 на 6-выводный разъем с шагом 0,1 дюйма. Сюда входят 3 аналоговых выхода для измерений по осям X, Y и Z, 2 вывода питания и вывод самотестирования, который позволяет проверить работу датчика в конечном приложении.

Аналоговые выходы являются относительными, что означает, что выходной сигнал 0g номинально равен половине напряжения питания 3,3 В (1,65 В), -3g соответствует выходному напряжению 0 В, и 3g соответствует 3,3 В с полным масштабированием между ними.

Ниже приведена таблица с основными характеристиками микросхемы акселерометра ADXL335.

Характеристики микросхемы акселерометра ADXL335.

Рабочее напряжение

Рабочий ток

Диапазон чувствительности

Диапазон температур

Чувствительные оси

Чувствительность

Ударопрочность

Размер

1,8 В — 3,6 В
350 мкА (типовой)
±3g (полная шкала)
от -40° до + 85° C
3 оси
от 270 до 330 мВ/g (относительно)
до 10000g
4мм х 4мм х 1,45 мм

Для более подробной информации обратитесь к техническому описанию по ссылке ниже.

Распиновка акселерометра ADXL335

Прежде чем погрузиться в подключения и примеры кода, давайте сначала взглянем на распиновку модуля акселерометра.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 6 – Распиновка модуля акселерометра ADXL335

  • Вывод VCC обеспечивает питание для акселерометра, который может быть подключен к 5 В на Arduino.
  • Вывод Выход X выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению, приложенному к оси X.
  • Вывод Выход Y выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению на оси Y.
  • Вывод Выход Z выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению на оси Z.
  • Вывод GND подключается к выводу GND на Arduino

Вывод ST (Self-Test) контролирует функцию самопроверки. Эта функция подробно обсуждается в конце.

Подключение акселерометра ADXL335 к Arduino UNO

Теперь, когда у нас есть полное представление о том, как работает акселерометр ADXL335, мы можем начать подключать его к нашей плате Arduino.

Подключение довольно простое. Начните с установки акселерометра на макетной плате. Подключите вывод VCC к выводу 5V на Arduino, а вывод GND – к выводу GND на Arduino. Также подключите выходы X, Y и Z к аналоговым выводам A0, A1 и A2 на Arduino.

Для получения точных результатов, нам нужно изменить опорное аналоговое напряжение (AREF) на Arduino. Это можно сделать, подключив вывод 3,3V на Arduino к выводу AREF.

Когда вы закончите, у вас должно получиться что-то похожее на показанное на рисунке ниже.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 7 – Подключение модуля акселерометра ADXL335 к Arduino UNO

Итак, теперь, когда мы подключили наш акселерометр, пришло время написать код и протестировать его.

Код Arduino – чтение показаний акселерометра ADXL335

Скетч довольно прост. Он просто отображает калиброванное выходное напряжение датчика для каждой оси через последовательный интерфейс. Протестируйте скетч, прежде чем мы начнем его подробный разбор.

const int xInput = A0;
const int yInput = A1;
const int zInput = A2;

// Инициализируем минимальное и максимальное необработанные значения для каждой оси
int RawMin = 0;
int RawMax = 1023;

// Берем несколько отсчетов, чтобы уменьшить шум
const int sampleSize = 10;

void setup()
{
analogReference(EXTERNAL);
Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
// Прочитать необработанные значения
int xRaw = ReadAxis(xInput);
int yRaw = ReadAxis(yInput);
int zRaw = ReadAxis(zInput);

// Преобразовать необработанные значения 'милли-g»
long xScaled = map(xRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);
long yScaled = map(yRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);
long zScaled = map(zRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);

// Пересчитать в значения g с дробной частью
float xAccel = xScaled / 1000.0;
float yAccel = yScaled / 1000.0;
float zAccel = zScaled / 1000.0;

Serial.print(«X, Y, Z :: «);
Serial.print(xRaw);
Serial.print(«, «);
Serial.print(yRaw);
Serial.print(«, «);
Serial.print(zRaw);
Serial.print(» :: «);
Serial.print(xAccel,0);
Serial.print(«G, «);
Serial.print(yAccel,0);
Serial.print(«G, «);
Serial.print(zAccel,0);
Serial.println(«G»);

delay(200);
}

// Взять отсчеты и вернуть среднее значение
int ReadAxis(int axisPin)
{
long reading = 0;
analogRead(axisPin);
delay(1);
for (int i = 0; i < sampleSize; i++) { reading += analogRead(axisPin); } return reading/sampleSize; }

Скетч начинается с объявления аналоговых входных выводов Arduino, к которым подключены выходные выводы X, Y и Z датчика.

Далее мы определяем минимальные и максимальные значения, которые Arduino собирается предоставить. Поскольку плата Arduino содержит 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, она отобразит выходные напряжения датчика в диапазоне от 0 до 3,3 В в целочисленные значения в диапазоне от 0 до 1023. Именно поэтому для RawMin установлено значение 0, а для RawMax установлено значение 1023.

Переменная sampleSize указывает Arduino брать 10 отсчетов каждого преобразования, чтобы получить более точные результаты.

const int xInput = A0;
const int yInput = A1;
const int zInput = A2;

// Инициализируем минимальное и максимальное необработанные значения для каждой оси
int RawMin = 0;
int RawMax = 1023;

Читайте также:  Compro VideoMate M330F - экономный ТВ тюнер с широким набором мультимедийных функций

// Берем несколько отсчетов, чтобы уменьшить шум
const int sampleSize = 10;

В функции setup() мы должны установить аналоговое опорное напряжение на EXTERNAL, так как мы подключили 3,3 В к выводу AREF на Arduino. Это делается путем вызова analogReference(EXTERNAL).

Кроме этого, мы инициализируем здесь и последовательную связь с компьютером.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Если вы не вызовите analogReference(EXTERNAL), вы закоротите вместе активный источник опорного напряжения (внутренний) и вывод AREF, что, возможно, приведет к повреждению микроконтроллера на плате Arduino..

analogReference(EXTERNAL);
Serial.begin(9600);

В функции loop() мы считываем аналоговые выходы датчика каждые 200 мс. Вместо вызова функции analogRead() мы вызываем пользовательскую функцию ReadAxis(). Эта функция просто берет 10 выборок АЦП и возвращает среднее значение.

// Прочитать необработанные значения
int xRaw = ReadAxis(xInput);
int yRaw = ReadAxis(yInput);
int zRaw = ReadAxis(zInput);

Преобразование показаний ADXL335 в ускорение (g)

Следующий фрагмент кода является наиболее важной частью программы. Он преобразует аналоговые выходные напряжения датчика в ускорение свободного падения (g).

Встроенная в IDE функция map() выполняет фактическое преобразование. Таким образом, когда мы вызываем map(xRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000), значение RawMin будет преобразовываться в -3000, значение RawMax – в 3000, а значения между ними – в промежуточные значения.

Значения -3000 и 3000 не являются произвольными. Они фактически представляют ускорение свободного падения (в милли-g, которое составляет 1/1000 g), измеренное датчиком, то есть ± 3g (от -3000 до 3000 милли-g).

Например,

  • Когда датчик выдает 0 вольт на оси x, то есть xRaw = 0, функция map() возвращает -3000, представляющие -3g.
  • Когда датчик выдает 3,3 вольта по оси x, то есть xRaw = 1023, функция map() вернет 3000, представляющие +3g.
  • Когда датчик выдает 1,65 В на оси x, т.е. xRaw = 511, функция map() вернет 0, представляющий 0g.

Термин относительный будет иметь больше смысла, когда выходное напряжение будет увеличиваться линейно с ростом ускорения в заданном диапазоне.

// Преобразовать необработанные значения 'милли-g»
long xScaled = map(xRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);
long yScaled = map(yRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);
long zScaled = map(zRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000);

Наконец, выходной сигнал датчика уменьшается до дробного значения g с помощью деления на 1000 и выводится в монитор последовательного порта.

// Пересчитать в значения g с дробной частью
float xAccel = xScaled / 1000.0;
float yAccel = yScaled / 1000.0;
float zAccel = zScaled / 1000.0;

Serial.print(«X, Y, Z :: «);
Serial.print(xRaw);
Serial.print(«, «);
Serial.print(yRaw);
Serial.print(«, «);
Serial.print(zRaw);
Serial.print(» :: «);
Serial.print(xAccel,0);
Serial.print(«G, «);
Serial.print(yAccel,0);
Serial.print(«G, «);
Serial.print(zAccel,0);
Serial.println(«G»);

На следующих рисунках показан вывод данных акселерометра в монитор последовательного порта в разных положениях.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоРисунок 8 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси X -Рисунок 9 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Y +Рисунок 10 – Вывод акселерометра ADXL335 на X +Рисунок 11 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Y -Рисунок 12 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Z +Рисунок 13 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Z —

Функция самотестирования ADXL335

Акселерометр ADXL335 имеет функцию самопроверки, которая позволяет проверить работу датчика в конечном приложении.

Рисунок 14 – Вывод ST (самопроверка) на модуле управляет этой функцией

Когда контакт ST подключен к 3,3 В, на пластину акселерометра внутри действует электростатическая сила. Результирующее движение пластины позволяет пользователю проверить работоспособность акселерометра.

Типичное изменение выходного сигнала:

  • -1,08 g (-325 мВ) по оси X
  • +1.08 g (+325 мВ) по оси Y
  • +1,83 g (+550 мВ) по оси Z

Этот вывод ST при нормальном использовании может быть подключен к земле или оставлен «висеть» в воздухе.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Подача на вывод ST напряжения выше 3,6 В может привести к повреждению акселерометра.

Оригинал статьи:

  • How Accelerometer works? Interface ADXL335 with Arduino

Теги

ArduinoАкселерометрДатчикИзмерениеМакетная платаПрограммированиеУскорение Arduino Uno

Отладочная плата Arduino Uno построена на микроконтроллере Atmega328P.

Она имеет 14 цифровых входных/выходных выводов (6 из которых могут использоваться в качестве ШИМ выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор 16 МГц, подключение USB, разъем питания, разъем ICSP и кнопку перезагрузки.

Она содержит всё необходимое для работы с микроконтроллером; для того, чтобы начать работу с ней, просто подключите…

GY-61 (ADXL335) акселерометр, трехосевой

ADXL335 – это миниатюрный, малопотребляющий, полнофункциональный трехосевой акселерометр с выходными сигналами в виде напряжения и схемами аналогового преобразования сигналов. Минимальный диапазон полной шкалы измерения продукта составляет ±3 g. Компонент способен измерять статическое ускорение, вызванное гравитацией, в задачах определения отклонения, а также динамическое ускорение,…

Акселерометр: что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне

Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или  G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.

Акселерометр: что это и зачем нужен?

Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».

Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые).

Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление  ускорения как векторную величину во всех трех осях.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.

В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.

Где применяется акселерометр?

Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:

  • Навигационные устройства летательных аппаратов. Без приборов на основе гироскопов и акселерометров не может обойтись ни один самолет, вертолет и даже квадрокоптер. Так, например, для работы квадрокоптера необходимо минимум три гироскопа.
  • Автомобили. В автомобилях акселерометр интегрируется в системы безопасности и стабилизации. Прибор определяет экстренное торможение или дорожно-транспортное происшествие и запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.
  • Промышленность. Датчики активно используются в различных станках, агрегатах и производственных линиях в системах защиты для отключения питания в случае поломок или при достижении критических значений.
  • Электроника. В компьютерах и ноутбуках акселерометр применяется для защиты жестких дисков от ударов и падений. В случае обнаружения падения прибор отдает команду считывающим головкам принять безопасное положение для избегания повреждения диска и потери данных.
  • В смартфонах и планшетах акселерометр отвечает за смену ориентации экрана при повороте корпуса, а также за управление игровым процессом при наклонах гаджета. В фитнес-браслетах и часах акселерометр применяется для подсчета шагов, отслеживания сна и активации экрана поднятием запястья.
  • Бытовая техника. Да, акселерометрами могут оснащаться даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах акселерометр, обнаружив его падение, отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.

Как работает акселерометр?

Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.

Читайте также:  Какую мебель выбрать для гостиной в современном стиле

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоМеханический акселерометр

Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика.

Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.

Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.

У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания.

Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов.

Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоВнутренняя работа акселерометраАкселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.

Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:

https://youtu.be/CUo9Nlf1KbU

Чем отличается акселерометр от гироскопа?

Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.

Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп.

Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычногоИллюстрация работы механического гироскопа

Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.

Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.

Акселерометр в телефоне

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.

Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.

Как откалибровать акселерометр?

В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги.

Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox.

Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.

Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.

Источник изображений: YouTube , Wikipedia

HP увеличивает чувствительность акселерометра в 1000 раз

Новые МЭМС-акселерометры будут отличаться пониженным энергопотреблением и смогут применяться в промышленности.

Вчера компания Hewlett-Packard объявила о создании новой технологии применения инерциальных чувствительных элементов, которая позволит разрабатывать новые цифровые микроэлектромеханические системы (МЭМС) и производить на их основе акселерометры следущего поколения. Их чувствительность будет увеличена в 1000 раз по сравнению с моделями, в настоящий момент находящимися в массовом производстве.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

В тот момент, когда компьютер начал реагировать на изменения окружающей среды, его взаимодействие с пользователем поднялось на новый уровень.

МЭМС-аселерометр является сенсором, при помощи которого система может оценивать величину вибрации, силу удара или изменение скорости движения.

Это позволяет автоматически отключать жесткий диск при падении компьютера или менять ориентацию изображения на дисплее, когда пользователь переворачивает устройство.

По словам представителей HP, представленная технология является результатом 25-летних исследований в области наносенсоров.

Инженеры компании разработали в том числе и способ соединения множества детекторов в единую сенсорную сеть, с помощью которой можно регистрировать данные, производить оценку управления и контольно-управленческий анализ в режиме реального времени.

Эта информация позволяет пользователю принимать быстрые точные решения и увеличить безопасность и стабильность работы системы.

Инженерам компании удалось добиться не только повышения чувствительности новых МЭМС-акселерометров, но и снижения их энергопотребления.

Сенсоры, основанные на этой технологии, смогут достичь величины плотности шума на выходе акселерометра менее 100 нанограмм на корень квадратный из герца.

Для большего соответствия нуждам конкретной системы настройка таких сенсоров позволит задавать одну или несколько осей на чип.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

  • Помимо сферы бытовой электроники и компьютерных устройств, новая технология может найти применение в строительстве, геофизических исследованиях, геологоразведке и оценке сейсмической активности.
  • В настоящий момент работа находится в стадии теоретических исследований, но в дальнейшем HP планирует внести с ее помощью свой вклад в построение глобальной информационной системы – своего рода центральной нервной системы Земли, объединяющей триллионы сенсоров различных типов, которые выведут технологию коммуникаций между людьми и объектами на принципиально новый уровень.

Акселерометр нового типа с чувствительностью в 100 раз больше и шумом в 10 раз ниже

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Недавно разработанный акселерометр в 100 раз более чувствителен и в 10 раз менее шумный, чем обычные. Он смог достичь уровня разрешения 1 мкг. Он может использоваться в различных приложениях для определения движения, а также в медицине и здравоохранении.

Ожидается, что мировой рынок потребительской электроники к 2024 году превысит 1,8 триллиона долларов. Таким образом, аналитики ожидают значительного роста спроса на акселерометры, электромеханический инструмент, используемый для измерения сил ускорения.

Эти массово выпускаемые миниатюрные инструменты обычно разрабатываются с помощью технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), где метод изготовления хорошо известен.

Теперь исследователи из Токийского технологического института и NTT Advanced Technology Corporation разработали новый метод, позволяющий уменьшить размер акселерометров MEMS до менее чем 1/10 при увеличении его чувствительности в 100 раз по сравнению с обычными акселерометрами.

Читайте также:  Как подобрать женскую стрижку по форме лица используя фото (на компьютере онлайн и бесплатно)

Чтобы разработать эффективный акселерометр, существует компромисс между уменьшением шума и уменьшением размера. Это происходит потому, что механический шум обратно пропорционален контрольной массе (массе движущегося электрода).

В емкостных акселерометрах чувствительность прямо пропорциональна размеру акселерометра. Следовательно, существует также компромисс между увеличением чувствительности и уменьшением размера.

Существующие МЭМС-акселерометры на основе кремния не могут обнаружить незначительный (в масштабе микрогравитации) уровень ускорения на входе.

Новый дизайн

Для разработки акселерометров высокого разрешения исследователи использовали золотой материал: они добавили многослойные металлические конструкции к контрольным массам и пружинным модулям. Получившийся прибор смог достичь уровня разрешения 1 мкГ.

Акселерометр от HP в 1000 раз чувствительнее обычного

Исследователи использовали несколько слоев золота для доказательства структуры массы, что помогло им снизить механический шум при увеличении массы на единицу площади. Они также уменьшили коробление пробной массы, чтобы использовать всю площадь 4-миллиметрового квадратного чипа, что сделало емкостный акселерометр более чем в 100 раз более чувствительным.

  • Измеренные характеристики этого MEMS-акселерометра с золотистой пробной массой соответствовали расчетным значениям, демонстрируя практичность нового подхода.
  • В частности, было установлено, что механический шум (с преобладанием броуновского шума) нового прибора составляет 22 нГ / √Гц, что более чем на порядок ниже, чем у традиционных акселерометров с той же емкостной чувствительностью.
  • Поскольку для производства новых акселерометров они использовали процесс микропроизводства полупроводников и гальваники, эти структуры могут быть реализованы на микросхемах интегральных схем, что позволяет производителям улучшить разрешение миниатюрных акселерометров для повседневного использования.

Например, эти акселерометры могут использоваться в различных приложениях для измерения движения, мониторинга инфраструктуры, управления мобильными транспортными средствами, облегченных роботов, а также в медицинской и медицинской технике. Они также могут быть применены к измерениям космической среды, которые требуют измерения чрезвычайно низкого ускорения, и к системам навигации, где GPS не может использоваться.

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения

Нужен акселерометр? Столкнувшись с разнообразием технологий, формы, размера, диапазона измерений, нововведений даже самые опытные инженеры могут столкнуться с проблемой выбора правильной модели. Надеемся, что данная статья поможет быстрее сориентироваться в широкой номенклатуре акселерометров.

Принцип измерений

Первый шаг к правильному выбору акселерометра – это определение наиболее подходящего параметра измерений.

Сегодня используются три технологии построения акселерометра: — пьезоэлектрические акселерометры – самый распространенный на сегодняшний день вид акселерометров, которые широко используются для решения задач тестирования и измерений.

Такие акселерометры имеют очень широкий частотный диапазон (от нескольких Гц до 30 кГц) и диапазон чувствительности, а также выпускаются в различных размерах и формах. Выходной сигнал пьезоэлектрических акселерометров может быть зарядовым (Кл) или по напряжению.

Датчики могут использоваться для измерений как удара, так и вибрации. — пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации.

Еще одна область их применения – испытания на безопасность при столкновении. В большинстве своем пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном частот (от нескольких сотен Гц до 130 кГц и более), при этом частотная характеристика может доходить до 0 Гц (т.н. DC датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.

— акселерометры на переменных конденсаторах относятся к компонентам новейших технологий. Как и пьезорезистивные акселерометры, они имеют DC ответ.

Такие акселерометры отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3000 Гц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурной диапазоне до 180°C не превышает 1.5 %.

Акселерометры на переменных конденсаторах используются для измерений низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения.

Измеряемые параметры

Схематично, параметры, измеряемые акселерометрами, можно сгруппировать в следующие классы:

  • измерение вибрации: объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также на промышленном производстве.
  • измерение ударных ускорений: внезапное возбуждение структуры, создающее резонанс. Ударный импульс может создаваться взрывом, ударом молотка по предмету или в результате столкновения с другим объектом.
  • измерение движения: медленное перемещение со скоростью от доли секунды до нескольких минут, например, перемещение руки робота или подвеска автомобиля.
  • сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации. Такие измерения требуют специализированных малощумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмоисследований контролируют движения мостов, полов, а также определяют землетрясения.

Общие понятия

Перед обсуждением технологии и особенностей применения, необходимо сделать несколько общих замечаний.

Частотная характеристика – это зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешнего механического воздействия в частотном диапазоне с фиксированной амплитудой. Это один из основных параметров, от которого зависит выбор того или иного компонента.

Диапазон частот обычно определяется серией экспериментов и указывается в спецификации. Обычно этот параметр указывается с точностью ±5% от опорной частоты (обычно 100 Гц).

Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ или ±3 дБ. Эти значения указывают на точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Многие data sheet содержат графики типичной АЧХ, которые иллюстрируют флуктуацию точности компонента в различных частотных диапазонах.

Другой важный параметр акселерометра – число осей измерения. Сегодня выпускаются компоненты с одной и тремя измерительными осями. Еще одна возможность построения сложной системы – это организация трех акселерометров в один измерительный блок.

Вибрация

Лучший выбор для измерения вибрации – это пьезоэлектрические акселерометры, благодаря их широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности и высокой разрешающей способности. В зависимости от типа выходного сигнала они могут быть с зарядовым выходом и с выходом по напряжению (IEPE).

В последнее время широко используются акселерометры с вольтовым выходным сигналом, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители компонентов этой группы придерживаются единого псевдо-стандарта, поэтому легко заменяемы между собой.

Обычно такие акселерометры имеют в своей структуре усилитель заряда, поэтому не требуют дополнительных внешних компонентов. Всё, что нужно для подключения акселерометра, — это источник постоянного тока.

Таким образом, для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах температурной нормы -55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры с выходным сигналом по напряжению.

Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в широком диапазоне амплитуды, который определяется настройками усилителя заряда (заметим, что акселерометры по напряжению имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур составляет -55…288°C, а специализированные компоненты могут работать в диапазоне -269…760°C.

Однако в отличие от IEPE акселерометров, емкостные датчики требуют применения специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену на стандартные коаксиальные кабели.

Для подключения датчиков также потребуются усилители заряда и линейные конвертеры.

Подводя итоги, можно придти к заключению, что емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных измерений неизвестных заранее ускорений.

В приложениях, где требуется измерять вибрацию очень малой частоты, рекомендуется использовать акселерометры на переменных конденсаторах (VC). Их частотная характеристика составляет от 0 Гц до 1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности.

При проведении измерений низкочастотной вибрации VC акселерометр с частотной характеристикой 0-15 Гц будет иметь чувствительность 1 В/г.

Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автомобилестроении, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.

Ударные ускорения

Для измерений ударных ускорений используются две технологии, модельный ряд представлен компонентами на различный уровень силы удара и с различными выходными характеристиками. Выбор акселерометра для ударных ускорений, в первую очередь, зависит от ожидаемого уровня ударного ускорения.

  • Низкий уровень
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector