Что такое датчик ускорения?

Что такое датчик ускорения?

Датчик ускорения — это датчик, который измеряет ускорение.

Ускорение — это увеличение скорости за единицу времени. В физике ускорение — важный параметр, который может оказывать силу на объект.

Датчик ускорения можно в целом классифицировать на емкостные, пьезоэлектрические (пьезорезистивные) и тепловые методы измерения. Существуют различия в ускорении, которое может быть обнаружено датчиками каждого метода. Емкостный метод может обнаружить гравитационное ускорение, в то время как пьезоэлектрический (пьезорезистивный) метод не может.

Использование датчиков ускорения

Датчики ускорения используются для простого измерения ускорения, а также для измерения других параметров посредством ускорения. Первые используются в датчиках, встроенных в смартфоны и портативные игровые консоли, датчиках для обнаружения ударов для активации автомобильных подушек безопасности и других датчиках, таких как сейсмометры. Последние включают инклинометры и шагомеры, которые используют датчики ускорения емкостного метода, способные обнаруживать гравитационное ускорение.

Принцип работы датчиков ускорения

Датчики ускорения в целом подразделяются на емкостный метод, пьезоэлектрический (пьезорезистивный) метод и метод термического измерения. Основной принцип каждого метода одинаков: датчик делится на фиксированную часть и гибкую часть. Когда к акселерометру прикладывается ускорение, гибкая часть деформируется.

Разница между фиксированной частью и деформированной гибкой частью обнаруживается элементом, и ускорение измеряется. В емкостном методе каждая из фиксированных и гибких частей имеет электрод. Конфигурация датчика представляет собой гребенчатую решетку из чередующихся фиксированных и гибких частей с электродами.

Поскольку емкость между электродами фиксированной части и гибкой части изменяется при приложении ускорения, ускорение можно определить по величине изменения. На рисунке 1 показан пример шагомера, который определяет гравитационное ускорение с помощью 3-осевых датчиков ускорения.

(a) — это данные, напрямую измеренные датчиком, и они представляют собой временные ряды данных ускорения центра тяжести тела, когда шагомер прикреплен к правильному положению пешехода. Эти данные содержат ускорение силы тяжести как низкочастотный (DC) компонент, и путем применения фильтра нижних частот извлекается только ускорение силы тяжести, как в данных (b).

В то же время, путем применения полосового фильтра к данным (a), данные (c) получаются путем удаления низкочастотного компонента ускорения силы тяжести и высокочастотного шумового компонента. Данные (b) и (c) представляют собой временные ряды данных по трем осям (x, y, z) соответственно, и если ориентация датчика изменяется во время ходьбы (измерения), значения, обнаруженные по каждой оси, также изменятся.

Здесь, взяв скалярное произведение данных (b) и (c) (т. е. скалярное произведение трехмерных векторов) в каждый момент времени, можно получить данные временного ряда компонента направления силы тяжести (одна ось) ускорения центра тяжести тела, как показано в данных (d).

Таким образом, можно получить компонент направления гравитации ускорения пешехода, независимо от ориентации датчика, в положительной проекции на ускорение силы тяжести, т. е. векторная величина преобразуется в скалярную величину, и на основе этих данных (d) можно рассчитать шаг и количество шагов.

Пьезоэлектрический (пьезорезистивный) метод использует пьезоэлектрический элемент для измерения ускорения. Пьезоэлектрический элемент генерирует электрический ток, когда он деформируется ускорением. Генерируемый ток измеряется как ускорение.

Другая информация о датчиках ускорения

1. Разница между датчиками ускорения и гироскопами

Один из датчиков, который имеет схожие характеристики с датчиками ускорения, — это гироскопический датчик. Здесь мы объясним разницу между акселерометрами и гироскопическими датчиками.

Как следует из названия, датчики ускорения используются для измерения ускорения. Гироскопические датчики, с другой стороны, предназначены для измерения угловой скорости. Это означает, что физические величины, которые они обнаруживают, отличаются.

Гиродатчики используют силу Кориолиса для определения ориентации и положения объекта, которая затем выводится в виде электрического сигнала. Они используются при измерении наклона объекта и устанавливаются в самых разных электронных устройствах, таких как автомобильные навигационные системы, цифровые камеры со стабилизацией изображения, смартфоны и игровые консоли.

Сочетание датчиков ускорения с гироскопическим датчиком также может использоваться для более детального измерения движения объекта. Например, автомобильная навигационная система, один из самых популярных продуктов в автомобиле, использует комбинированную технологию датчиков.

Датчик гироскопа может определять направление автомобиля, а датчики ускорения могут определять пройденное расстояние, что позволяет точно отображать текущее местоположение даже в местах, куда трудно проникнуть радиоволнам, например, в туннелях.

2. Как использовать датчики ускорения

Чтобы использовать датчики ускорения для реализации желаемого приложения, необходимо заранее подтвердить требуемый диапазон измерений или полосу пропускания частот. Например, если датчики ускорения должны быть установлены на контроллере игровой консоли, он должен иметь диапазон измерений, превышающий требуемый диапазон, предполагая, что пользователь будет встряхивать контроллер, чтобы управлять им.

После того, как будут определены соответствующие датчики ускорения для цели измерения, датчик подключается и создается программа измерения. На этом этапе важна «настройка параметров». В настройках параметров вы можете изменить чувствительность датчика, выходной уровень 0g (ускорение невесомости) и т. д. Если они не установлены должным образом, будет сложно реализовать желаемое приложение.