Průvodce akcelerometry pro začátečníky

Co je to akcelerometr?

Akcelerometr je elektromechanické zařízení, které měří zrychlení sil. Tyto síly mohou být statické jako tíhová síla, nebo dynamické - způsobeny pohybem nebo vibrováním akcelerometru.

K čemu akcelerometry slouží?

U mnohých měření statického gravitačního zrychlení můžete zjistit úhel vychýlení vzhledem k zemskému povrchu. Při měření dynamických zrychlení můžete analyzovat směr, kterým se zařízení pohybuje. Měření náklonu a zrychlení nezdá se být všechno. Nicméně konstruktéři přišli s mnoha způsoby jak pomoci nich udělat opravdu užitečné produkty.

 

Akcelerometr může pomoci vašemu projektu lépe chápat jeho okolí. Je toto řízení náročné? Nechystá se spadnout při dalším kroku? Letí horizontálně nebo nalétává na vašeho profesora? Dobrý programátor může napast kód tak, aby pomoci dat z akcelerometru byly tyto otázky zodpovězeny. Pomoci akcelerometru můžeme analyzovat problémy v motoru automobilu užitím vibračních zkoušek nebo můžou být dokonce použity při vytváření hudebních nástrojů.

 

V počítačovém světě IBM a Apple se nedávno začaly používat akcelerometry v laptopech pro ochranu harddisků před poškozením. V případě že náhodou upustíte laptop, akcelerometr zjistí náhlý volný pád a vypne pevný disk tak, že hlavy nenarazí na plotny. V podobném stylu jsou v průmyslu řešeny standartní způsoby odhalování autonehod a vystřelení airbagů ve stejném čase.

 

 

Jak akcelerometr pracuje?

Je mnoho různých způsobů jak vytvořit akcelerometr! Některé akcelerometry využívají piezoelektrický jev - obsahují mikroskopické krystalové struktury, které při namáhání, které způsobilo zrychlení, začnou generovat napětí. Další způsob je snímání kapacitance. Když máte vedle sebe dvě mikrostruktury, je mezi nima určitá kapacitance. Jestliže zrychlovací síla pohybuje jednou z těchto struktur, pak se kapacitance mění. Přidejte k tomu nějaké obvody k přeměně kapacitance na napětí a budete mít akcelerometr. Jsou ještě další metody obsahující použití piezorezistivního jevu, horkých vzduchových bublin a světlo.

 

Čeho bych si měl všímat při nákupu akcelerometru?

Analogový vs digitální - Na prvním místě si musíte vybrat mezi akcelerometrem s analogovými nebo digitálními výstupy. To je určeno hardwarem, ke kterému bude akcelerometr připojený. U akcelerometrů s analogovým výstupem je spojité napětí úměrné zrychlení. Například 2.5 V pro 0 g, 2.6 V pro 0.5 g, 2.7 V pro 1g. Digitální akcelerometry pro výstupy obvykle používají šířkovou pulzní modulaci (PWM). To znamená, že  vzniknou čtvercové vlny s jistou frekvencí a množství času na napěťové úrovni high bude úměrné množství zrychlení.
 

Když používáte BASIC Stamp, nebo nějaký jiný microcontroller s čistě digitálními vstupy, budete nejspíš potřebovat akcelerometr s číslicovými výstupy. Nevýhodou je, že k měření pracovního cyklu stejně jako k výpočtovým operacím je nutné použít časovacího zdroje  microcontrolleru.
 

Jestliže používáte PIC / AVR / OOPIC / Javelin s analogovými vstupy nebo kompletně analogově založené obvody, analogový je téměř vždy nejlepší volba. V závislosti na kompilátoru, analogové měření zrychlení může být tak jednoduché jako zrychlení = číst_adc (); a může být provedeno během několika mikrosekund.

 

Počet os - Pro většinu projektů jsou dostatečné dvě osy. Nicméně, jestli chcete pokusit určovat polohu v 3D, budete potřebovat 3 akcelerometrické osy nebo dva samostatné 2 osé namontované v pravém úhlu.
 

Maximální rozkmit - Pokud uvažujete jen měření náklonu užitím zemské gravitace ±1.5g akcelerometr bude více než postačující. Jestli chcete akcelerometr používat k měření pohybu auta, letadla nebo robotu, ±2g by měl dávat dostatečný prostor pro práci. Pro projekty s velmi neočekávanými starty nebo zastaveními budete potřebovat takový, který může pracovat s ± 5g nebo více.
 

Citlivost - Všeobecně vzato, čím citlivější, tím lépe. To znamená, že pro danou změnu zrychlení dostaneme větší změnu v signálu. Větší změny signálu jsou snadněji měřitelné a dávají přesnější naměřené údaje.

 

Šířka pásma - Znamená to množství dob za sekundu, ve kterých můžete číst spolehlivé zrychlení. Pro pomalu se pohybující sklon snímané aplikace pravděpodobně stačí šířka pásma 50 Hz. Jestliže zamýšlíte měřit chvění nebo řídit rychle se pohybující stroj, budete potřebovat šířku pásma několik stovek Hz.

 

Impedance / tlumič - Toto je zdaleka nejběžnější zdroj problémů v projektech zahrnujících analogové akcelerometry, protože málo lidí důkladně přečte požadovanou dokumentaci. Katalogové listy PIC a AVR říkají, že pro pro správnou činnost A-D převodu musí mít připojená zařízení výstupní odpor pod 10 kW. Bohužel analogové akcelerometry analogových zařízení mají výstupní odpor od 32 kW. Řešením je použití malé vstupní vyrovnávací zábrany k tomu, aby oddělila operační zesilovač jako tlumič ke snížení výstupní impedance. Pokud víme DE-ACCM je jediné řešení akcelerometru, které řeší tento problém.

 

 

Kde můžu najít více informací o akcelerometrech?

Texas instruments mají rozsáhlého průvodce akcelerometry zahrnující i matematiku potřebnou při návrhu. Katalogový list DE-ACCM obsahuje několik příkladů, jak můžete použít údaje z akcelerometru k určení náklonu a hodnoty zrychlení.

Paralax fórum informuje jak použít jejich PWM akcelerometr. Jestli opravdu chcete dostat se do detailů na nízkou ůroveň akcelerometrů a chcete zkusit pájením povrchu montovat balíčky, analogové zařízení má obrovský výběr katalogových listů pokrývajících analogové a digitální PWM zařízení.

 

Začínáme s akcelerometry

Akcelerace je míra rychlosti řazení převodových stupňů. Právě tak jako tachometr je měřidlo, které měří rychlost, akcelerometr je měřidlo, které měří zrychlení. Můžete používat schopnost cítit zrychlení k měření různých věcí, které jsou velmi užitečné v elektronických, robotických projektech a návrzích:

• Zrychlení
• Náklon, úhel náklonu
• Sklon
• Rotace
• Vibrace
• Detekce kolizí
• Gravitace

Akcelerometey jsou již použity v široké škále strojů, specializovaných zařízení a osobní elektronice. Zde je několik příkladů:

• Samočinně se vyrovnávací roboty
• Náklonový mód herních ovladačů
• Modelování autopilota letadla
• Alarmy automobilů
• Detekce nehod / vystřelení airbagu
• Monitorování lidského pohybu
• Leveling nástroj

Dříve byly akceleromrtry velké žblunkající a drahé prostředky nevhodné k elektronickým a robotickým projektům. To se změnilo po příchodu MEMS mikro - elektromechanické - systémy. MEMS technologie je zodpovědná za rostoucí počet zařízení, dříve mechanických, navržených přímo na křemíkový čip. Akcelerometr se kterým budete pracovat v následných aktivitách je Parallax Memsic 2125 dvouosá akcelerometrická jednotka.

Tento modul měří méně než ¹/₂” X ¹/₂” X ¹/₂”, a samotný čip akcelerometru je menší než ¹/₄” X ¹/₄” X ¹/₈”.

 

 

Lidé přirozeně vnímají zrychlení ve tří osách: vpřed / vzad, nalevo / napravo a nahoru / dolů. Vzpomeňte si, když jste posledně byl na sedadle osobního auta jedoucího po kopcovité a zatáčkovité silnici. Vjem dopředného / zpětného zrychlení je způsoben akcelerací a zpomalováním. Zrychlení doprava / doleva vzniká při zatáčení a zrychlení nahoru / dolů je to, co jste cítili při jízdě přes kopce.

 

Stejně jako zrychlení nahoru / dolů, vnímáme i gravitaci. Lidé na zemi vnímají gravitaci jejich vlastní hmotnosti. Při volném pádu cítí gravitaci jako beztížný stav. Ve fyzice je gravitace forma zrychlení. Když je objekt na zemi, gravitace je někdy nazývána statickým zrychlením. Když se objekt valí z kopce nebo padá, gravitace se stává dynamickým zrychlením.

 

Namísto tří os vnímaných lidmi, vnímá akcelerometr MX2125 zrychlení ve dvou osách. Typ zrychlení, které měří závisí na tom, jak je umístěný. V jedné poloze může vnímat zrychlení vpřed / vzad a nalevo / napravo. jestli ho otočíte v jiném směru, může snímat nahoru / dolů a dopředu / dozadu.

The MX2125 Akcelerometr – Jak pracuje

Design MX2125 je úžasně jednoduchý. Skládá se z komory naplněné plynem, v jejímž středu je topný článek a čtyř teplotních snímačů jejího okraje. Právě tak jako teplý vzduch stoupá a studený vzduch klesá se chová i teplý a studený plyn. Jestliže držíte akcelerometr vklidu, snímá pouze gravitaci. Když neměníte polohu akcelerometu, horká plynový bublina stoupne ke stropu uprostřed komory akcelerometru a všechny snímače teploty měří stejnou teplotu. V závislosti na vychýlení akcelerometru bude horký plyn blíže k jednomu, možná dvoum snímačům teplot.

 

 

Obě statické zrychlení (gravitace a náklon) a dynamické zrychlení (jako například při jízdě v autě) jsou detekovány pomoci teplotních snímačů. Jestliže vezmete akcelerometr pro jízdu v autě, teplejší a studenější plyn proudí v komoře dokola do jisté míry podobně jako v nádobě částečně naplněné vodou.

 

Vě většině případů je vytvoření snímání z těchto měření jednoduchý úkol díky elektronice uvnitř MX2125. MX2125 převádí naměřenou teplotu na signály, které jsou pro BASIC Stamp® jednotku snadno dešifrovatelné a měřitelné.

 

Piezoelektrický akcelerometr

Aktivní prvek akcelerometru je z piezoelektrického materiálu. Na obrázku 1 je znázorněn piezoelektrický jev v závislosti na deformaci disku. Deformační kotouč vypadá jako kondenzátor s piezokeramickým materiálem vloženým mezi dvěma elektrodami. Síla působící kolmo na kotouč způsobuje způsobuje napětí v elektrodách.

Obr.1 Piezoelektrický jev, základní výpočet

 

Snímací část piezoelektrického akcelerometru se skládá ze dvou hlavních částí:

·        Piezoelektrický materiál

·        Seizmická hmota

Jedna strana piezoelektrického materiálu je připojena k pevnému úchytu v základně snímače. Takzvaná seismická hmota je spojena s druhou stranou. Když akcelerometr podléhá chvění, je generována síla, která působí na piezoelektrický prvek (Obr.2). Shodně s Newtonovými zákony se tato síla rovná síle vyvolané zrychlením seizmické hmoty. Díky piezoelektrickému efektu je výstupní náboj úměrný generované vnější síle. Když je seizmická hmota konstantní, náboj výstupního signálu je úměrný zrychlení této hmoty.

Obr.2 Princip piezoelektrického akcelerometru

 

V širokém rozsahu frekvencí mají obě části senzoru stejnou velikost zrychlení. Z tohoto důvodu snímač měří zrychlení měřeného objektu. Piezoelektrický prvek je  k objímce senzoru připojen pomoci páru elektrod. Některé akcelerometry mají integrovaný elektrický obvod, který přeměňuje vysoký náboj  výstupu na signál nízkého napětí.

Uvnitř efektivního operačního frekvenčního rozsahu je citlivost nezávislá na frekvenci. Piezoelektrický akcelerometr může být považován za mechanickou dolní propust s rezonujícími špičkami. Seizmická hmota piezokeramika (plus další "pružné" součásti) tvoří systém pružné hmoty. To udává typické rezonující chování a definuje horní frekvenční mez akcelerometru. K tomu aby dosáhl širšího operačního kmitočtového rozsahu, rezonanční frekvence by měla být zvýšena. Toto je obvykle realizováno redukováním seizmické hmoty. Nicméně snížení seizmické hmoty sníží citlivost. Proto akcelerometry s vysokým rezonančním kmitočtem, například šokové akcelerometry, budou méně citlivé zatímco seizmické akcelerometry s vysokou citlivostí mají nízký rezonanční kmitočet.

Obrázek 3 ukazuje typickou křivku frekvenční odezvy akcelerometru, kdy je buzen konstantním zrychlením.

Obr. 3 Frekvenční odezva

 

Z této křivky může být odvozeno několik efektivních kmitočtových rozsahů:

·        Přibližně 1/5 rezonančního kmitočtu odezvy snímče je 1,05. To znamená že měřená chyba ve srovnání s nižšími četnostmi je 5%.

·        Chyba 1/3 aproximovaného rezonančního kmitočtu je 10%. Z tohoto důvodu by měl být "lineární" kmitočtový rozsah omezený na rezonanční kmitočet.

·        Mez 3 dB s přibližně 30% chybou je získána v přibližně jedné polovině rezonančního kmitočtu.

Nižší frekvenční limity závisí hlavně na vybraném předzesilovači. Často mohou být přizpůsobivé. Při napěťových zesilovačích je funkce časové konstanty RC tvořena akcelerometrem, kabelem a vstupní kapacitou zesilovače společně s vstupním odporem zesilovače.

 

http://forums.parallax.com

www.MMF.de