加速度計—幻想與現實

作爲ADI公司緊湊的低成本、重力敏感型iMEMS ®加速度計的應 用支持工程師,我們有機會聽到許多有關如何運用加速度計的創 意想法,但有些想法違背了物理定律!我們依據實現這些想法的可能性,非正式地對其中一些予以評定:

  • 現實——切實可行,目前並已經實現的實際應用。

  • 幻想——如果我們有更先進的技術就可能實現的應用。

  • 想入非非——我們能想到的任何實際實施方案將會違揹物 理定律。

洗衣機負荷平衡。洗衣機高速旋轉時,負荷不平衡將導致洗衣機 搖晃,如果不加以限制,洗衣機甚至能在地板上"走動"起來。利用加速度計檢測旋轉期間的加速度。如果存在不平衡,洗衣機將來回抖動滾筒以重新分佈負荷,直至負荷達到平衡爲止。

現實。負荷平衡更佳時,旋轉速度可以更快,從而將更多水從衣服中甩出,使甩幹過程能效更高,這可是當今大力倡導的事情!還有一個好處是滾筒運動減震所需的機械部件將更少,使得整體系統更輕,成本更低。如果實施得當,馬達的峯值負荷更低,傳動和軸承系統的使用壽命將得以延長。這項應用已經實現。

機械健康狀況監控。許多行業按照預防性維修日程計劃更換或徹底檢修機械設備,尤其在人們無法容忍無計劃停機的應用中。因 此,許多行業經常過早地花費巨資改造尚有很長使用壽命的機 械。將加速度計嵌入軸承或其它旋轉設備中,就可以延長其使用壽命,而不用擔心突發故障。加速度計通過檢測軸承或其它旋轉設備的振動,確定其工作狀況。

現實。利用軸承的振動"特徵"來確定其狀況是業界公認且成熟的設備維護方法,但爲了獲得精確結果,需要較寬的測量帶寬。在ADXL001推出之前,加速度計和相關信號調理設備的成本非常高。現在,具有寬帶寬(22 kHz)和內部信號調理功能的ADXL001已成爲低成本軸承維護應用的理想之選。

自動校平。加速度計測量大型機器或活動房屋等物體的絕對傾斜 度。微控制器利用該傾斜信息自動校平物體。

介於現實和幻想之間(取決於應用)。自動校平是一項要求極高 的應用,要求絕對精確。表面微加工加速度計具有極高的分辨率,但高精度(優於 1°傾斜度)的絕對傾斜度測量對溫度穩定性和遲 滯性能的要求極高,採用當今的表面微加工加速度計無法實現。對於溫度範圍適中的應用,ADXL203等高穩定性加速度計可以 勝任。對於寬溫度範圍、絕對精度要求在±5°以內的應用,這些 加速度計也能處理。但是,要在寬溫度範圍內實現更精確的校平,則需要外部溫度補償。即使利用外部溫度補償,仍然難以實現優 於±0.5°傾斜度的絕對精度。有些應用目前已經實現。

手機的人機界面。微控制器藉助加速度計識別用戶手勢,從而實現對移動設備的單手控制。

現實。手機屏幕佔用了控制區域的大部分可用面積。手機制造商可以將加速度計用於用戶界面功能,以便增加"無按鈕"特性, 例如單振/雙振(模擬鼠標單擊/雙擊)、屏幕旋轉、傾斜控制的 滾動、基於方向的振鈴控制等。此外,手機制造商可以利用加速度計改善導航功能的精度和使用性能,以及開發其它新應用。這項應用目前已經實現。

汽車報警。加速度計檢測汽車是否被頂起或被拖車抓起,如果是則報警。

現實。最常見的偷車手法之一是直接用拖車拖走。傳統的汽車報警對此無能爲力。衝擊檢測器無法測量傾斜度的變化,點火禁用系統也不起作用。本應用利用ADXL213的高分辨率能力。如果 加速度計測量到傾斜度變化超過每分鐘 0.5°,汽車就發出警報——但願能嚇跑竊賊。這需要良好的溫度穩定性,沒有人希望自 己的汽車因爲天氣變化而發出警報,因此高度穩定的ADXL213 可謂理想選擇。這項應用目前已在OEM和售後汽車防盜系統中實 現。

滑雪板固定器。加速度計測量總衝擊能量和"特徵",確定是否應當鬆開固定器。

幻想。機械式滑雪板固定器已經高度先進,但性能受限。如果能測量滑雪者所感受到的實際衝擊力,就能精確判定是否應當鬆開 固定器。智能系統可以考慮每個人的能力和生理狀況。這是一項 實用的加速度計應用,但目前的電池技術不敷所需。等到將來開發出小而輕且在低溫下保持良好性能的電池時,這項應用就能變成現實。

個人導航。本應用通過航位推算法確定位置(利用加速度對時間 的二重積分確定實際位置)。

想入非非。加速度測量結果中的小誤差日積月累,將導致長期積 分結果出現較大誤差。二重積分將加劇誤差(t2)。如果不採取措施不時地重新設定實際位置,誤差將變得十分巨大。這與簡單地將 電容放在運算放大器上來構建積分器類似。即使將來加速度計的精度能夠比現在高出十倍或百倍,最終仍然會產生巨大誤差,只是所需時間長一點。

加速度計可以結合GPS導航系統使用,在GPS信號短暫不可用時提供服務。較短的積分週期(一分鐘左右)可以獲得令人滿意的 結果,而且巧妙的算法可以利用替代方法提供良好的精度。例如 在步行時,每走一步,身體都會上下運動。加速度計可以用來製作高度精確的計步器,其測量步行距離的精度可達±1%以內。

重低音伺服控制。將加速度計安裝在重低音喇叭上,以便提供位置反饋,進而通過伺服方法消除失真。

現實。目前市場上已有多種帶伺服控制的有源重低音音箱。伺服 控制可以大大降低諧波失真和功率壓縮。伺服控制也可以通過電 子方式降低揚聲器/音箱系統的Q,從而允許使用更小的音箱,詳見揚聲器失真降低(Richard A. Greiner和Travis M. Sims, Jr., JAES Vol. 32, No. 12)。ADXL193小而輕,加到揚聲器喇叭上之後, 並不會顯著改變整體聲學特徵。

神經肌肉刺激器。本應用可以在適當的時候刺激肌肉,以幫助對小腿肌肉失去控制的人走路。

現實。走路時,一般先擡腳,使腿部前移,然後落下,向後推腿部。加速度計戴在小腿或腳上的某個位置,以便檢測腿的位置。然後通過電子方式刺激適當的肌肉,使腳根據需要而屈伸。

這是微加工加速度計使一項產品切實可行的範例。早期型號使用 液體傾斜傳感器或活動滾珠軸承(用作開關)來確定腿的位置。 液體傾斜傳感器的問題在於液體會晃動,因此只能慢速步行。在山路上行走時,很容易迷惑滾珠軸承開關。加速度計則是測量腿 後移與腿前移之間的差別,因此山路無法愚弄該系統,而且也不 存在液體晃動問題。加速度計功耗很低,系統可以採用小型鋰電 池工作,使得最終封裝產品並不顯眼。這項應用已經實現。

汽車噪聲消除。加速度計檢測車廂內的低頻振動,消除噪聲系統利用立體聲系統中的揚聲器消除該振動。

想入非非。雖然加速度計可以毫無困難地拾取車廂內的振動,但消除噪聲在很大程度上取決於相位。雖然我們可以消除某個位置 的噪聲(例如駕駛員頭部周圍),但其它位置的噪聲可能會增加。

結束語

表面微加工加速度計具有高靈敏度、小尺寸、低成本、封裝結實 等特點,能夠測量靜態和動態加速力,因而使衆多新型應用得以 實現。其中有許多應用並不屬於加速度計的傳統應用範圍,超出了人們的預期。現在看來,設計人員的想象力似乎纔是潛在應用範圍的限制因素,但有時候,設計人員也會想象過頭!性能的不斷改進將催生越來越多的應用,但對那些違揹物理定律的所謂"解決方案"最好敬而遠之。

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