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利用MEMS惯性感测转变应用

关键词:汽车压力传感器 MEMS惯性感测

时间:2023-01-05 09:34:48      来源:ADI

尽管MEMS(微机电系统)技术在安全气囊部署和汽车压力传感器中已经使用了大约二十年,但任天堂Wii和苹果iPhone中的运动感应用户界面使人们对惯性传感器的功能有了广泛的认识。

尽管MEMS(微机电系统)技术在安全气囊部署和汽车压力传感器中已经使用了大约二十年,但任天堂Wii和苹果iPhone中的运动感应用户界面使人们对惯性传感器的功能有了广泛的认识。

尽管如此,在某种程度上,惯性传感器仅在最终产品需要检测加速和减速时才有用。从纯粹的科学角度来看,这是正确的。然而,这可能会错过MEMS加速度计和陀螺仪在医疗设备、工业设备、消费电子和汽车电子等领域的许多不断扩大的应用。

研究五种运动传感模式中每一种模式的可能性,极大地扩展了当今大批量MEMS应用之外的选择。这五种模式是加速(包括位置和方向等平移运动)、振动、冲击、倾斜和旋转。

例如,具有活动检测功能的加速度计可以在确定设备在没有移动或振动的情况下处于非活动状态时,通过告诉设备进入最低功耗模式来启用电源管理技术。复杂的控件和物理按钮正在被手指点击控制的手势识别界面所取代。在其他用例中,最终产品的操作变得更加精确,例如当指南针补偿您手中握持的倾斜角度时。

本文提供了先进的商用MEMS加速度计和陀螺仪如何通过五种类型的运动传感来改变各种终端产品的示例。

运动传感和MEMS简介

加速度、振动、冲击、倾斜和旋转——除了旋转之外,实际上是不同时间段内加速度的不同表现形式。然而,作为人类,我们并不直观地将这些运动感觉与加速/减速的变化联系起来。单独考虑每种模式有助于设想更多的可能性。

加速度(记住,包括平移运动)测量单位时间内速度的变化。速度以米/秒 (m/s) 表示,包括位移速率和运动方向。因此,加速度以米/秒平方(m/s)为单位2).负值的加速(想象一下当驾驶员踩刹车时汽车减速)称为减速。

现在考虑不同时间段的加速。振动可以被认为是快速和周期性发生的加速和减速。

同样,冲击是瞬间发生的加速度。但与振动不同的是,冲击是一种非周期性函数,通常只发生一次。

让我们再次延长时间长度。当移动物体以改变其倾斜度或倾斜度时,涉及相对于重力的位置的一些变化。与振动和冲击相比,这种运动往往发生得相当缓慢。

由于前四种运动传感模式都涉及加速度的某个方面,因此它们通过重力(重力施加在地球上物体上的力单位)来测量(1 g等于9.8 m / s)。2).MEMS加速度计通过测量重力对加速度计轴的影响来检测倾斜。在 3 轴加速度计的实例中,三个单独的输出测量沿 X、Y 和 Z 轴运动的加速度。

目前市场份额最大的加速度计使用差分电容器来测量g力,然后将其转换为伏特或比特(在数字输出加速度计的情况下),然后传递到微处理器以执行动作。最近的技术进步使得在低g和高g感应范围内制造微型MEMS加速度计成为可能,其带宽比以前宽得多,大大增加了潜在应用领域。低 g 感应范围小于 20 g,处理人类可以产生的运动。高g对于感知与机器或车辆相关的运动很有用 - 本质上是人类无法创造的运动。

到目前为止,我们只讨论了线性速率运动,即包括加速度、振动、冲击和倾斜的运动类型。旋转是角速率运动的量度。此模式与其他模式不同,因为旋转可以在不改变加速度的情况下进行。要了解其工作原理,请想象一个 3 轴惯性传感器。假设传感器的 X 轴和 Y 轴平行于地球表面;Z 轴指向地球中心。在此位置,Z 轴测量 1 g;X 轴和 Y 轴寄存器 0 g。现在旋转传感器以仅绕 Z 轴移动。X 和 Y 平面只是旋转,继续测量 0 g,而 Z 轴仍测量 1 g。

MEMS陀螺仪用于感测这种旋转运动。由于某些最终产品除了测量其他形式的运动外还必须测量旋转,因此陀螺仪可以集成到嵌入多轴陀螺仪和多轴加速度计的IMU(惯性测量单元)中。

加速可用性和电源管理

早些时候我们观察到加速度在检测运动和位置方面发挥作用。这就有可能使用MEMS加速度计来通知器件何时被拾取和放下,当检测到时,可以生成一个中断,自动打开和关闭功能。各种功能组合可以保持活动状态或进入尽可能低功耗的状态。运动驱动的开/关功能是人性化的,因为它们消除了用户的重复操作。更重要的是,它们支持电源管理,使设备在充电或更换电池之间运行更长时间。带有背光LCD的智能遥控器是潜在的场景之一。

使用加速度计感知运动并产生中断的另一种方法是在军事或公共安全人员的无线电中。为了保证通信安全,当无线电停止佩戴或携带时,可能需要重新进行身份验证才能允许用户访问。请注意,为了实用于便携式或小型设计,上述两个用例将取决于消耗很少电流的加速度计:最多几微安(μA)。

运动传感的另一个应用是医疗设备,如自动体外除颤器。通常,AED 旨在提供电击,使患者的心脏再次跳动。当失败时,必须进行手动心肺复苏。经验不足的施救者可能无法按压患者的胸部以进行有效的心肺复苏术。嵌入在 AED 胸垫中的加速度计可用于通过测量垫移动的距离,向救援人员提供适当压缩量的反馈。

用于监控和节能的振动

振动的微小变化是轴承磨损、机械部件未对准以及机械(包括工业设备)中其他问题的领先指标。具有极宽带宽的超小型MEMS加速度计是监测电机、风扇和压缩机振动的理想选择。能够执行预测性维护使制造公司能够避免损坏昂贵的设备,并防止导致代价高昂的生产力损失的故障。

测量设备振动特征的变化也可用于检测机械是否调整为以节能方式运行。除非得到纠正,否则这种低效的运营可能会损害公司的绿色制造努力,并推高其电费或最终导致设备损坏。

冲击、手势识别等

许多笔记本电脑中的磁盘驱动器保护是迄今为止实施最广泛的冲击传感应用之一。加速度计检测到微小的g力,表明笔记本电脑正在掉落或掉落,这是电击事件的前兆:撞到地板。在几毫秒内,系统会命令将硬盘驱动器头停放。在撞击过程中,停放磁头可防止与磁盘盘片接触,从而防止损坏驱动器和由此造成的数据丢失。

手势识别接口是此类惯性传感的一个有前途的新用途。定义的手势,如点击、双击或摇晃,允许用户激活不同的功能或调整操作模式。手势识别使设备在难以操作物理按钮和开关的地方更易于使用。无按钮设计还可以降低整体系统成本,此外还可以提高水下摄像机等终端产品的耐用性,其中按钮周围的开口会让水渗入相机机身。

小尺寸消费电子产品只是加速度计驱动的手势识别正在找到一席之地的一个应用领域。得益于极小的低功耗MEMS加速度计,抽头接口非常适合可穿戴和植入式医疗设备,如药物输送泵和助听器。

用于精确操作的倾斜传感

倾斜传感在手势识别界面中也具有巨大的潜力。例如,在建筑或工业检测设备等应用中,单手操作可能更可取。不操作设备的手仍然可以自由控制操作员站立的铲斗或平台,或者为了安全起见,可以握住系绳。操作员可以简单地“旋转”探头或设备来调整其设置。

在这种情况下,3轴加速度计会将旋转感知为倾斜:测量存在重力的情况下倾斜的低速变化,检测重力矢量的变化,并确定方向是顺时针还是逆时针。倾斜检测还可以与点击(冲击)识别相结合,让操作员单手控制设备的更多功能。

补偿设备的位置是倾斜测量有用的另一个重要领域。在GPS(全球定位系统)或手机中获取电子罗盘。这里一个众所周知的问题是指南针未完全平行于地球表面时产生的航向误差。

工业秤是另一个例子。在此应用中,必须计算装载的铲斗相对于地球的倾斜度,以准确读取重量。压力传感器,例如用于汽车和工业机械的压力传感器,同样会受到重力的影响。这些传感器包含隔膜,其偏转根据传感器的安装位置而变化。在所有这些情况下,MEMS加速度计执行必要的倾斜检测以补偿误差。

旋转:陀螺仪和 IMU 在运行

如前所述,当旋转与其他形式的惯性检测相结合时,MEMS技术的实际应用将受益。在实践中,这需要使用加速度计和陀螺仪。

已经引入了惯性测量单元,包括多轴加速度计、多轴陀螺仪,以及为了进一步提高航向精度而多轴磁力计。此外,IMU 可以提供完整的 6 个自由度 (6DoF)。这为医疗成像设备、手术器械、先进假肢和工业车辆自动引导等应用带来了超精细分辨率。除了高精度操作外,选择IMU的另一个优点是其多种功能可以由传感器制造商进行预测试和预校准。

IMU在精度要求可能不那么明显的情况下也被证明是有用的。其中一个例子是一个智能高尔夫球杆,它可以跟踪和记录挥杆的每一个动作,以便改进高尔夫球手的技术。球杆内的加速度计测量加速度和挥杆平面,而陀螺仪测量挥杆过程中的内旋或高尔夫球手的扭转。高尔夫俱乐部记录在比赛或练习期间收集的数据,以便以后在PC上进行分析。

信号处理的新浪潮

无论是需要用户友好的功能、最大限度地降低功耗、消除物理按钮和控制、补偿重力和位置,还是更智能的操作,基于 MEMS 的惯性传感都提供了丰富的选项,可以在所有五种运动感官中进行探索。

ADI公司等创新者,其i MEMS运动信号处理®™产品组合,领导创建提供下一波信号处理所需的加速度计和陀螺仪。运动传感应用范围不断扩大,将受益于这些IC解决方案提供的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信号调理电路和集成功能。

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