加速度计—幻想与现实

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3"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7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)。 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9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。


作者

harvey-weinberg

Harvey Weinberg

Harvey Weinberg is a Division Technologist for the Analog Devices Automotive business unit. Over the past few years he has been working on early technology identification and development as it pertains to automotive - principally sensors. Prior roles at Analog Devices have been System Application Engineering Manager for the Automotive BU and before that, leader of the Applications Engineering group for MEMS inertial sensors. He has 13 US patents in technologies varying from ultrasonic airflow measurement to inertial sensor applications to LIDAR systems. He has been at Analog for 23 years. Before Analog, he worked for 12 years as a circuit and systems designer specializing in process control instrumentation. He holds a Bachelor of Electrical Engineering degree from Concordia University in Montreal, Canada.