MEMS-акселерометры - фантазии и реальность

Несбалансированная загрузка в течение цикла высокоскоростного вращения стиральной машины является причиной тряски и, если машина не закреплена, то она может даже начать «ходить» по полу. Акселерометр улавливает ускорение во время цикла вращения. Если присутствует разбаланс, стиральная машина перераспределит нагрузку, подергивая барабан назад и вперед, и далее – пока загрузка не сбалансируется.

Реальность. Лучший баланс загрузки позволяет достичь более высокой скорости вращения, что позволяет выжимать большее количество воды из одежды, делая процесс сушки более энергоэффективным – а это соответствует тенденции нашего времени. Кроме того, меньше механических элементов потребуется для торможения барабана, что делает общую систему легче и дешевле. Такая эксплуатация продляет время жизни трансмиссии и подшипников, так как на двигатель действуют меньшие пиковые нагрузки.

Это приложение используется в производстве.

Во многих отраслях промышленности замена и ремонт машинного оборудования производятся в соответствии с графиком планово-предупредительных ремонтов. Это особенно важно в приложениях, для которых недопустим незапланированный простой. Преждевременный ремонт оборудования со значительным сроком службы часто обходится в миллионы долларов. Установка акселерометров на подшипниках или другом вращающемся оборудовании, поможет увеличить срок службы без риска внезапного сбоя. Улавливаемая акселерометром вибрация подшипников или другого вращающегося оборудования позволяет определить их состояние.

Реальность. Анализ характера вибрации подшипников для определения их состояния – хорошо обоснованный и используемый в промышленности метод эксплуатации оборудования, но для точности измерения необходим широкий рабочий частотный диапазон. До появления ADXL001 стоимость акселерометров и связанной с ними аппаратуры преобразования сигналов была слишком высока. Сейчас его широкая полоса частот (22 кГц) и встроенная схема преобразования сигнала делает ADXL001 идеальным решением для низкозатратного обслуживания подшипников.

Акселерометры измеряют абсолютный наклон объекта, такого как большая машина или дом на колесах. Микроконтроллер, используя информацию об угле наклона, автоматически выравнивает объект.

Между реальностью и фантастикой (в зависимости от приложения). Самовыравнивание – очень требовательное приложение, так как для него требуется абсолютная точность. Поверхностные микромеханические акселерометры имеют впечатляющее разрешение, но измерение абсолютного наклона с большой точностью (лучше, чем 1°) требует такой температурной стабильности, и таких характеристик гистерезиса, какие для сегодняшних поверхностных микромеханических акселерометров еще недостижимы. В приложениях с более скромным температурным диапазоном высокая стабильность акселерометра, такого как ADXL2035, будет вполне приемлема. Приложениям, требующим точность до ±5° в широком температурном диапазоне, он так же подойдет. Тем не менее, более точное выравнивание в широком диапазоне температур требует внешней температурной компенсации. Хотя, даже с внешней температурной компенсацией трудно достичь абсолютной точности лучше, чем ±0.5°.

Некоторые подобные приложения уже применяются в промышленности.

Акселерометры позволяют микроконтроллеру распознавать движения пользователя для осуществления управления мобильным устройством одной рукой.

Реальность. Экраны мобильных телефонов «съедают» большую часть доступной для управления площади. Использование акселерометров для реализации функции взаимодействия с пользователем позволяет изготовителям мобильных телефонов добавить такие «бескнопочные» функции, как касание/двойное касание (имитация щелчка/двойного щелчка мышью), поворот дисплея, прокрутка посредством наклона и контроль звонка, с учетом ориентации в пространстве – это лишь немногие функции. Кроме того, изготовители мобильных телефонов могут использовать акселерометры для повышения точности и практичности функций навигации и других новых приложений.

Подобные приложения уже имеются в промышленности.

Акселерометр почувствует, если машина будет подниматься домкратом или эвакуатором, и включит сигнализацию.

Реальность. Один из наиболее популярных методов угона автомобиля – это кража его с помощью эвакуатора. Стандартные автосигнализации не защищают от этого. Вибродатчик не может измерять изменения угла наклона, а системы отключения зажигания бесполезны. Этому приложению дает преимущество высокая разрешающая способность ADXL213. Если акселерометр контролирует изменение наклона больше чем на 0.5° в минуту, сработает сигнализация, которая, надо надеяться, отпугнет вора. Необходима хорошая стабильность по температуре, так как никто не хочет, чтобы его сигнализация сработала из-за изменения погоды, что делает высокую стабильность ADXL213 идеальным выбором.

Это приложение уже имеется на рынке автомобильных противоугонных систем.

Акселерометр измеряет суммарную энергию удара и принимает решение о том, должно ли крепление быть раскрыто.

Фантастика. Механические лыжные крепления сильно эволюционировали, но ограниченны в функциональности. Результат измерения удара, испытанного лыжником, определяет, должны ли крепления раскрыться. Интеллектуальные системы помогут принимать во внимание возможности и физиологию каждого отдельного человека. Это – практическое приложение с акселерометром, но текущее состояние аккумуляторных технологий делает его непрактичным. Небольшие, легкие батареи, способные работать при низких температурах, в конечном счете, сделают это приложение реальным.

В этом приложении положение определяется благодаря точному расчету траектории (двойной интеграл от ускорения по времени определяет фактическое местоположение).

Утопия. Для долгосрочных результатов интегрирования характерна большая ошибка измерений, вызванная накоплением маленьких ошибок измерения ускорения. Двойное интегрирование усугубляет ошибки. Без переустановки фактического местоположения время от времени, накопленная ошибка будет огромной. Это аналогично построению интегратора простым подключением конденсатора к выводам операционного усилителя. Даже, если точность акселерометров возрастет в десять или сто раз, по сравнению с доступной на сегодняшний день, накапливаемая ошибка будет абсолютно недопустимой.

Акселерометры могут использоваться совместно с системами GPS навигации, в те периоды, когда сигналы GPS ненадолго отсутствуют. Короткие периоды интегрирования (минута или около того) могут дать удовлетворительные результаты, а продуманные алгоритмы помогут обеспечивать хорошую точность, используя альтернативные методы. При ходьбе, например, тело перемещается вверх и вниз с каждым шагом. Акселерометры могут использоваться при создании очень точных шагомеров, способных измерять пройденное расстояние с точностью ±1%.

Акселерометр монтируется на конусе сабвуфера, обеспечивая позиционную обратную связь к системе автоматической компенсации искажений.

Реальность. Несколько активных сабвуферов с сервоуправлением уже имеется на рынке. Сервоконтроль способен существенно уменьшить гармонические искажения и сжатие мощности. Сервоуправление может, так же, с помощью электроники уменьшить добротность системы динамики/корпус, позволяя использовать меньшие корпуса. ADXL193 – маленький и легкий, его масса, добавленная к конусу динамика не изменяет сколько-нибудь существенным образом общие акустические характеристики.

Это приложение поможет людям, потерявшим контроль над их ослабленными мышцами ног, ходить, благодаря стимуляции мышц в нужные моменты времени.

Реальность. При хождении стопа, как правило, поднимается, когда голень перемещается вперед и затем опускается при движении голени назад. Акселерометр носится где-нибудь на более слабой ноге или ступне, где он чувствует положение голени. Подходящие мускулы электрически стимулируются, для того чтобы, согнуть ступню так, как необходимо. Это классический пример того, как микромеханические акселерометры могут помочь людям. Более ранние модели использовали жидкостные датчики наклона или движущийся шарикоподшипник (выполняющий роль переключателя), чтобы определить положение ноги. Жидкостные датчики наклона имели проблемы из-за плескания жидкости, так что было возможно только медленное хождение. Шарикоподшипниковые переключатели легко сбивались при хождении по холмам. Акселерометр измеряет различие между передней и задней поверхностью ноги, так что холмы не сбивают систему и никакой проблемы плескания жидкости не существует. Низкое энергопотребление акселерометра позволяет системе работать от небольшой литиевой батареи, что делает полную систему малогабаритной.

Подобные системы уже производятся.

Акселерометр измеряет низкочастотную вибрацию в салоне; активная система подавления шумов компенсирует ее, используя динамики стереосистемы.

Утопия. Хотя акселерометр без проблем способен улавливать вибрацию в салоне, подавление шума является процессом, зависимым от фазы. Конечно, мы можем устранить шум в одном определенном месте (например, вокруг головы водителя), но он, вероятно, возрастет при этом в других местах.