Que sont les capteurs inertiels et leurs applications ?

Les capteurs inertiels sont des composants essentiels de nombreux appareils modernes. Ils sont utilisés pour mesurer l'accélération, l'orientation et la vitesse angulaire. Ces capteurs sont particulièrement utiles dans les applications qui nécessitent un positionnement précis ou un suivi des mouvements, comme l'aérospatiale, la robotique et les véhicules autonomes. Avec les progrès technologiques, les capteurs inertiels sont devenus plus petits, plus précis et plus abordables. Ce billet de blog présentera les capteurs inertiels, leur assemblage, leurs applications et les tendances futures.

Que sont les capteurs inertiels ?

Un capteur inertiel détecte et mesure l'accélération, l'inclinaison et les vibrations d'un objet. Il convertit les forces d'inertie en signaux électriques mesurables. C'est une capacité intéressante et utile. Il est important pour résoudre la navigation, l'orientation et le contrôle du porteur de mouvement. Les composants des capteurs inertiels comprennent généralement des accéléromètres et des capteurs de vitesse angulaire (gyroscopes). Leurs combinaisons à un, deux et trois axes IMU et AHRS jouent un rôle important.

La technologie de microfabrication pour produire des capteurs inertiels MEMS devient possible. Cette technologie est utilisée pour produire à l'aide d'éléments de capteur en silicium monocristallin. Ces capteurs au niveau du micron produits peuvent répondre à presque tous les principaux moteurs de conception de systèmes. Les capteurs inertiels MEMS ont les mêmes principes que les capteurs inertiels macroscopiques. Il peut détecter le moindre changement d'un objet de plusieurs mètres de long à l'aide de petites cellules de détection. Ces moindres changements incluent la position, l'orientation et l'accélération de l'objet.

Il existe deux principaux types de capteurs inertiels MEMS. L'un est un accéléromètre qui peut mesurer l'accélération linéaire dans un ou plusieurs axes. Les gens utilisent souvent cet accéléromètre. L'autre est un gyroscope qui peut mesurer le mouvement angulaire. Ces capteurs tous semblent être fabriqués par des personnes pour des applications spécifiques. C'est parce que ces capteurs inertiels répondent aux besoins de nombreuses applications différentes.

La bande passante, la résolution et la plage dynamique de ces capteurs varient en fonction du produit. Par exemple, un système de libération d'airbag automobile est très élevé sur le capteur inertiel. Il doit avoir une bande passante allant jusqu'à 0,5 KHz et une résolution supérieure à 500 mG. Sa plage dynamique doit être d'environ +/-100G. D'autres types d'équipements ont des exigences différentes pour ces gammes. Les instruments de mesure de la microgravité de l'air nécessitent un capteur inertiel à large bande de 0-10Hz. Mais sa résolution doit être précise à <1µG et une plage dynamique inférieure à +/-1G.

Voici un PDF sur la technologie des capteurs inertiels pour les applications de navigation.

Les capteurs inertiels occupent une place extrêmement importante dans toute application ou équipement. Il fait partie du système de contrôle plus large de l'appareil ou de l'application. Si vous ne connaissez que l'accélération ou le mouvement angulaire d'un objet, l'information n'est pas très utile. C'est parce que les informations collectées à partir de ce capteur sont généralement utilisées pour contrôler le mouvement de l'appareil. Bien sûr, il peut également activer un actionneur, tel que l'ouverture d'un airbag dans une voiture.

Assemblage du capteur inertiel

Capteurs accéléromètres

Le capteur accéléromètre est un composant important d'un capteur inertiel, également appelé accéléromètre. Le capteur prend en charge la mesure de l'accélération dans un ou plusieurs axes. L'accéléromètre se compose d'un élément capteur mécanique (bloc de masse standard) et d'un circuit de détection. D'autre part, l'élément sensible est constitué principalement d'un bloc masse relié à un référentiel par un système de suspension mécanique. La masse de détection est une très petite masse sismique dans un capteur MEMS. D'autre part, le système de suspension mécanique est composé de ressorts en silicone de haute qualité.

Le capteur est soumis à des forces d'inertie dues à l'accélération. Or, la masse de détection s'écarte de sa position stable. La deuxième loi du mouvement de Newton l'explique bien. L'équation de Laplace peut exprimer la déviation d'un bloc de masse contre l'accélération.

X / une = 1 / (s 2 + b / m + s × k / m)

Dans cette équation, différentes lettres représentent différentes choses. x représente le déplacement du bloc de masse et a est l'accélération. s désigne l'opérateur de Laplace et b est le facteur d'amortissement. m signifie la masse du bloc de masse. k est la constante de ressort mécanique du système de suspension.

La fréquence de résonance du capteur peut être exprimée comme suit :

fn = √￣(k / m)

L'équation du facteur de qualité s'exprime comme suit :

Q = √￣ (m × k) / b

La sensibilité du capteur (en boucle ouverte) s'exprime par :

S = m / k

À partir de l'algorithme ci-dessus, il est évident qu'une règle peut être vue. En augmentant ou en diminuant la sensibilité, la fréquence de résonance de l'objet change. Avec un système en boucle fermée, les gens peuvent librement ajuster ce compromis. Le facteur d'amortissement détermine la plus grande bande passante de l'accéléromètre. Le facteur d'amortissement est généralement variable dans les accéléromètres MEMS. Ce coefficient augmente avec le déplacement de la masse détectée.

Le déplacement du bloc de masse est mesurable dans tous les accéléromètres micromécaniques. Les gens peuvent mesurer cette distance de déplacement grâce à une interface de mesure de position. La méthode de mesure est la même que pour la mesure de capacité. Une plaque mobile fixée au bloc de masse se déplace entre des électrodes capacitives fixes. Plusieurs types différents de mécanismes de détection sont appliqués dans la conception de l'accéléromètre. Ces méthodes de détection comprennent le courant piézorésistif, piézoélectrique, capacitif, optique et à effet tunnel.

Les accéléromètres prennent en charge les systèmes en boucle ouverte ou en boucle fermée. L'accéléromètre en boucle ouverte utilisera un signal électrique provenant de l'interface de mesure de position. Et puis, l'accéléromètre convertira le signal électrique en un signal de sortie. Parce que les accéléromètres en boucle ouverte sont faciles à construire, la plupart des gens choisissent de les utiliser. Les accéléromètres en boucle ouverte présentent également un inconvénient : les utilisateurs doivent les gérer avec des tolérances élevées. Le facteur d'amortissement est dû au fait que l'accéléromètre a une constante de rappel variable. Le déplacement de masse d'un accéléromètre en boucle ouverte nécessite également un contrôle de non-linéarité.

Un accéléromètre en boucle fermée permet à la masse détectée de revenir à sa position de repos. Il s'appuie sur un système de rétroaction qui veut suivre la force de rétroaction exercée par la masse. Cette force de rétroaction est proportionnelle à l'accélération de l'accéléromètre en boucle fermée. La force de rétroaction s'annule avec les non-linéarités et la sensibilité dépend du contrôle de rétroaction. Le signal de rétroaction peut également être utilisé pour contrôler la dynamique du capteur à l'aide d'un contrôleur de signal électrique. Il peut être entraîné par des forces électrostatiques, thermiques ou magnétiques pour ramener la masse d'essai à sa position de repos. Les gens peuvent souvent afficher le signal de retour sous forme analogique ou numérique. Toutes ces conceptions ajoutent à la complexité du capteur.

Il existe de nombreux types d'accéléromètres, et voici quelques méthodes courantes de détection d'accélération :

• Accéléromètres mécaniques
• Accéléromètres à ondes optiques et acoustiques de surface
• Accéléromètres fluides
• Accéléromètres à flotteur visqueux
• Accéléromètres à pression
• Accéléromètres à base de fluide non traité

Capteur de vitesse angulaire

Un capteur de vitesse angulaire, également appelé gyroscope, est conçu pour mesurer la rotation d'un objet. Les gyroscopes MEMS utilisent principalement le principe de Coriolis. Deux forces empêchent une masse de se déplacer dans un système en rotation. Ces deux forces sont la force perpendiculaire à l'axe de rotation et la force dans le sens du mouvement. Un mécanisme mécanique construit généralement un gyroscope MEMS. Cette structure mécanique est mise en résonance par la force de Coriolis. Il excite des oscillations secondaires dans la même structure ou dans la structure secondaire. Bien entendu, la force de Coriolis est inférieure à la force motrice. Ainsi, tous les gyroscopes MEMS utilisent le phénomène de force de Coriolis dans leur structure vibrante.

Une paire de ressorts reliés à un bloc de masse dans le cadre intérieur forme la structure vibrante. Les cadres intérieur et extérieur sont reliés par un autre jeu de ressorts orthogonaux. Un doigt sensible à la capacité existe entre les cadres intérieur et extérieur. Ce doigt de détection de capacité est également connecté le long des ressorts orthogonaux. La force de Coriolis augmente avec la vitesse angulaire de l'objet en rotation lorsque la vitesse de l'objet augmente. Il suit également vers ou loin de l'axe de rotation. La masse d'inspection est ensuite entraînée en continu de manière sinusoïdale à travers le ressort interne. La masse d'essai résonnante sera soumise à la force de Coriolis lors de la rotation du système. La masse sera soumise à cette force par un ressort orthogonal entre le cadre intérieur et extérieur. Cette force le fera changer. Cette force modifiera la distance entre les doigts de détection capacitifs. Ainsi, le capteur de vitesse angulaire délivre simultanément le signal électrique pertinent. Ce signal est proportionnel à la force de Coriolis.

La plage de précision des différents sous-ensembles de capteurs de vitesse angulaire variera. Les types courants de capteurs de vitesse angulaire sont :

• Gyroscope accordé dynamiquement (DTG)
• Gyroscopes à vibrations
• Gyroscopes optiques
• Capteurs de vitesse angulaire à base de fluide
• Gyroscopes à intégration de taux
• Gyroscopes magnétohydrodynamiques
• Capteurs de taux à deux axes
• Gyroscopes Jet et Vortex
• Capteurs de vitesse angulaire à base de fluide micro-usinés

Applications des capteurs inertiels

Les capteurs inertiels peuvent être utilisés dans de nombreuses industries différentes. Auparavant, les capteurs inertiels étaient généralement limités aux applications militaires et aérospatiales. Le développement rapide des capteurs inertiels MEMS devient disponible pour de plus en plus d'applications. Il est très recherché dans les domaines de l'automobile et de l'électronique grand public.

Les gens utilisent des accéléromètres pour les airbags automobiles et les ceintures de sécurité dans l'industrie automobile. Et les gyroscopes sont utilisés dans des applications telles que la protection anti-retournement et les indicateurs automatiques.

Le domaine de l'électronique grand public a un plus large éventail d'applications. Les gens peuvent l'utiliser dans des caméras, des casques de réalité virtuelle, des jouets intelligents et des claviers de jeu. Les smartphones et tablettes utilisés dans nos vies sont équipés de systèmes de capteurs inertiels. Il est principalement utilisé pour détecter la rotation de l'écran et les jeux et améliorer le sens de l'expérience de réalité de l'utilisateur.

Il aide également les utilisateurs à l'utiliser pour vérifier la position et l'orientation des manipulateurs de robots et des véhicules robotiques sans conducteur. Ces capteurs peuvent également être utilisés dans le domaine médical. Cela peut aider les médecins suivre les patients souffrant de maladies spécifiques. Par exemple, surveiller les patients atteints de la maladie de Parkinson. Les capteurs inertiels de haute précision sont principalement utilisés dans les applications militaires et aérospatiales. Les gens peuvent l'utiliser dans les munitions intelligentes, la détection de collision et le contrôle de vol d'avions/missiles.

Lecture connexe : L'utilisation d'un système de capteurs inertiels pour l'analyse du mouvement humain

Tendances futures des capteurs inertiels

La précision des capteurs inertiels s'est considérablement améliorée au fil du temps. Il a largement répondu aux besoins de taille, de coût et de précision des applications de navigation et de guidage. Au cours des dernières années, il est passé d'un système purement mécanique à la possibilité d'intégrer une variété de technologies. Ces technologies comprennent la technologie de résonance magnétique nucléaire et la technologie des atomes froids. Il peut également utiliser de nombreux phénomènes physiques pour calculer avec précision la puissance appliquée à l'objet. Mais la nature des erreurs des capteurs inertiels reste un défi qui doit être étudié. Je crois que les gens surmonteront bientôt ce défi.

Les capteurs d'accélération et les capteurs de vitesse angulaire sont des composants importants des capteurs inertiels. Cependant, la technologie des capteurs inertiels couvre diverses applications dans différentes industries. Cependant, selon la nature du produit, le choix des composants du capteur inertiel à constituer peut varier. Tous les capteurs inertiels ne sont pas identiques.

---

À propos de la FAQ sur les capteurs inertiels

1. Que sont les capteurs inertiels et comment fonctionnent-ils ?

   Les capteurs inertiels sont des dispositifs qui mesurent le mouvement et l'orientation en détectant les changements d'accélération et de rotation. Ils fonctionnent en utilisant des systèmes microélectromécaniques (MEMS) pour détecter les changements dans le mouvement d'une petite masse.

2. Quels sont les différents types de capteurs inertiels et comment sont-ils utilisés ?

   Les deux principaux types de capteurs inertiels sont les accéléromètres, qui mesurent les changements d'accélération, et les gyroscopes, qui mesurent les changements de rotation. Ils sont utilisés dans diverses applications, notamment la navigation, le suivi de mouvement et la robotique.

3. Comment les capteurs inertiels sont-ils utilisés dans les systèmes de navigation et de positionnement ?

   Les capteurs inertiels peuvent être utilisés avec le GPS et d'autres systèmes de positionnement pour fournir une navigation plus précise et plus fiable. Ils peuvent également être utilisés dans les systèmes de positionnement intérieurs où les signaux GPS ne sont pas disponibles.

4. Comment les capteurs inertiels améliorent-ils le suivi et l'analyse des mouvements dans les applications sportives et de fitness ?

   Les capteurs inertiels peuvent fournir aux athlètes et aux amateurs de fitness des données en temps réel sur leurs mouvements et leurs performances, telles que la vitesse, l'accélération et la hauteur de saut. Ces données peuvent être utilisées pour améliorer l'entraînement et prévenir les blessures.

5. Comment les capteurs inertiels sont-ils utilisés en robotique et en automatisation ?

   Les capteurs inertiels peuvent être utilisés dans la robotique et l'automatisation pour fournir une rétroaction sur le mouvement et l'orientation des robots et d'autres machines. Cela peut améliorer la précision et l'exactitude dans la fabrication et d'autres industries.

6. Quelles sont les applications potentielles des capteurs inertiels dans les soins de santé et les dispositifs médicaux ?

   Les capteurs inertiels peuvent être utilisés dans les soins de santé et les dispositifs médicaux pour surveiller et suivre les mouvements et l'activité des patients, comme dans la rééducation ou la physiothérapie. Ils peuvent également être utilisés pour détecter et prévenir les chutes chez les personnes âgées.

7. Comment les capteurs inertiels peuvent-ils détecter et prévenir les chutes chez les personnes âgées ?

   Les capteurs inertiels peuvent être utilisés dans des appareils portables pour détecter les changements d'accélération et d'orientation qui peuvent indiquer une chute. Ces informations peuvent alerter les soignants ou les services d'urgence et aider à prévenir les blessures.

8. Quelles sont les implications éthiques de l'utilisation de capteurs inertiels dans les systèmes de surveillance et de sécurité ?

   L'utilisation de capteurs inertiels dans les systèmes de surveillance et de sécurité soulève des préoccupations éthiques concernant la confidentialité, la sécurité des données et les abus potentiels. Il est important d'équilibrer les avantages d'une sûreté et d'une sécurité améliorées avec les risques potentiels pour les droits et libertés individuels.