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加速度计—幻想与现实

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作者: Harvey Weinberg [harvey.weinberg@analog.com]

作为ADI公司紧凑的低成本、重力敏感型iMEMS ®加速度计的应 用支持工程师,我们有机会听到许多有关如何运用加速度计的创 意想法,但有些想法违背了物理定律!我们依据实现这些想法的可能性,非正式地对其中一些予以评定:

  • 现实——切实可行,目前并已经实现的实际应用。

  • 幻想——如果我们有更先进的技术就可能实现的应用。

  • 想入非非——我们能想到的任何实际实施方案将会违背物 理定律。

洗衣机负荷平衡。洗衣机高速旋转时,负荷不平衡将导致洗衣机 摇晃,如果不加以限制,洗衣机甚至能在地板上"走动"起来。利用加速度计检测旋转期间的加速度。如果存在不平衡,洗衣机将来回抖动滚筒以重新分布负荷,直至负荷达到平衡为止。

现实。负荷平衡更佳时,旋转速度可以更快,从而将更多水从衣服中甩出,使甩干过程能效更高,这可是当今大力倡导的事情!还有一个好处是滚筒运动减震所需的机械部件将更少,使得整体系统更轻,成本更低。如果实施得当,马达的峰值负荷更低,传动和轴承系统的使用寿命将得以延长。这项应用已经实现。

机械健康状况监控。许多行业按照预防性维修日程计划更换或彻底检修机械设备,尤其在人们无法容忍无计划停机的应用中。因 此,许多行业经常过早地花费巨资改造尚有很长使用寿命的机 械。将加速度计嵌入轴承或其它旋转设备中,就可以延长其使用寿命,而不用担心突发故障。加速度计通过检测轴承或其它旋转设备的振动,确定其工作状况。

现实。利用轴承的振动"特征"来确定其状况是业界公认且成熟的设备维护方法,但为了获得精确结果,需要较宽的测量带宽。在ADXL001推出之前,加速度计和相关信号调理设备的成本非常高。现在,具有宽带宽(22 kHz)和内部信号调理功能的ADXL001已成为低成本轴承维护应用的理想之选。

自动校平。加速度计测量大型机器或活动房屋等物体的绝对倾斜 度。微控制器利用该倾斜信息自动校平物体。

介于现实和幻想之间(取决于应用)。自动校平是一项要求极高 的应用,要求绝对精确。表面微加工加速度计具有极高的分辨率,但高精度(优于 1°倾斜度)的绝对倾斜度测量对温度稳定性和迟 滞性能的要求极高,采用当今的表面微加工加速度计无法实现。对于温度范围适中的应用,ADXL203等高稳定性加速度计可以 胜任。对于宽温度范围、绝对精度要求在±5°以内的应用,这些 加速度计也能处理。但是,要在宽温度范围内实现更精确的校平,则需要外部温度补偿。即使利用外部温度补偿,仍然难以实现优 于±0.5°倾斜度的绝对精度。有些应用目前已经实现。

手机的人机界面。微控制器借助加速度计识别用户手势,从而实现对移动设备的单手控制。

现实。手机屏幕占用了控制区域的大部分可用面积。手机制造商可以将加速度计用于用户界面功能,以便增加"无按钮"特性, 例如单振/双振(模拟鼠标单击/双击)、屏幕旋转、倾斜控制的 滚动、基于方向的振铃控制等。此外,手机制造商可以利用加速度计改善导航功能的精度和使用性能,以及开发其它新应用。这项应用目前已经实现。

汽车报警。加速度计检测汽车是否被顶起或被拖车抓起,如果是则报警。

现实。最常见的偷车手法之一是直接用拖车拖走。传统的汽车报警对此无能为力。冲击检测器无法测量倾斜度的变化,点火禁用系统也不起作用。本应用利用ADXL213的高分辨率能力。如果 加速度计测量到倾斜度变化超过每分钟 0.5°,汽车就发出警报——但愿能吓跑窃贼。这需要良好的温度稳定性,没有人希望自 己的汽车因为天气变化而发出警报,因此高度稳定的ADXL213 可谓理想选择。这项应用目前已在OEM和售后汽车防盗系统中实 现。

滑雪板固定器。加速度计测量总冲击能量和"特征",确定是否应当松开固定器。

幻想。机械式滑雪板固定器已经高度先进,但性能受限。如果能测量滑雪者所感受到的实际冲击力,就能精确判定是否应当松开 固定器。智能系统可以考虑每个人的能力和生理状况。这是一项 实用的加速度计应用,但目前的电池技术不敷所需。等到将来开发出小而轻且在低温下保持良好性能的电池时,这项应用就能变成现实。

个人导航。本应用通过航位推算法确定位置(利用加速度对时间 的二重积分确定实际位置)。

想入非非。加速度测量结果中的小误差日积月累,将导致长期积 分结果出现较大误差。二重积分将加剧误差(t2)。如果不采取措施不时地重新设定实际位置,误差将变得十分巨大。这与简单地将 电容放在运算放大器上来构建积分器类似。即使将来加速度计的精度能够比现在高出十倍或百倍,最终仍然会产生巨大误差,只是所需时间长一点。

加速度计可以结合GPS导航系统使用,在GPS信号短暂不可用时提供服务。较短的积分周期(一分钟左右)可以获得令人满意的 结果,而且巧妙的算法可以利用替代方法提供良好的精度。例如 在步行时,每走一步,身体都会上下运动。加速度计可以用来制作高度精确的计步器,其测量步行距离的精度可达±1%以内。

重低音伺服控制。将加速度计安装在重低音喇叭上,以便提供位置反馈,进而通过伺服方法消除失真。

现实。目前市场上已有多种带伺服控制的有源重低音音箱。伺服 控制可以大大降低谐波失真和功率压缩。伺服控制也可以通过电 子方式降低扬声器/音箱系统的Q,从而允许使用更小的音箱,详见扬声器失真降低(Richard A. Greiner和Travis M. Sims, Jr., JAES Vol. 32, No. 12)。ADXL193小而轻,加到扬声器喇叭上之后, 并不会显著改变整体声学特征。

神经肌肉刺激器。本应用可以在适当的时候刺激肌肉,以帮助对小腿肌肉失去控制的人走路。

现实。走路时,一般先抬脚,使腿部前移,然后落下,向后推腿部。加速度计戴在小腿或脚上的某个位置,以便检测腿的位置。然后通过电子方式刺激适当的肌肉,使脚根据需要而屈伸。

这是微加工加速度计使一项产品切实可行的范例。早期型号使用 液体倾斜传感器或活动滚珠轴承(用作开关)来确定腿的位置。 液体倾斜传感器的问题在于液体会晃动,因此只能慢速步行。在山路上行走时,很容易迷惑滚珠轴承开关。加速度计则是测量腿 后移与腿前移之间的差别,因此山路无法愚弄该系统,而且也不 存在液体晃动问题。加速度计功耗很低,系统可以采用小型锂电 池工作,使得最终封装产品并不显眼。这项应用已经实现。

汽车噪声消除。加速度计检测车厢内的低频振动,消除噪声系统利用立体声系统中的扬声器消除该振动。

想入非非。虽然加速度计可以毫无困难地拾取车厢内的振动,但消除噪声在很大程度上取决于相位。虽然我们可以消除某个位置 的噪声(例如驾驶员头部周围),但其它位置的噪声可能会增加。

结束语

表面微加工加速度计具有高灵敏度、小尺寸、低成本、封装结实 等特点,能够测量静态和动态加速力,因而使众多新型应用得以 实现。其中有许多应用并不属于加速度计的传统应用范围,超出了人们的预期。现在看来,设计人员的想象力似乎才是潜在应用范围的限制因素,但有时候,设计人员也会想象过头!性能的不断改进将催生越来越多的应用,但对那些违背物理定律的所谓"解决方案"最好敬而远之。

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