Cosa sono i sensori inerziali e le applicazioni?

I sensori inerziali sono componenti essenziali di molti dispositivi moderni. Sono usati per misurare l'accelerazione, l'orientamento e la velocità angolare. Questi sensori sono particolarmente utili in applicazioni che richiedono un posizionamento preciso o il tracciamento del movimento, come il settore aerospaziale, la robotica e i veicoli autonomi. Con i progressi tecnologici, i sensori inerziali sono diventati più piccoli, più precisi e più convenienti. Questo post sul blog esaminerà i sensori inerziali, il loro assemblaggio, le applicazioni e le tendenze future.

Cosa sono i sensori inerziali?

Un sensore inerziale rileva e misura l'accelerazione, l'inclinazione e la vibrazione di un oggetto. Converte le forze inerziali in segnali elettrici misurabili. È un'abilità interessante e utile. È importante per risolvere la navigazione, l'orientamento e il controllo del vettore di movimento. I componenti del sensore inerziale includono tipicamente accelerometri e sensori di velocità angolare (giroscopi). Le loro combinazioni a singolo, doppio e triasse IMU e AHRS svolgono un ruolo importante.

La tecnologia di microfabbricazione per produrre sensori inerziali MEMS diventa possibile. Questa tecnologia viene utilizzata per produrre utilizzando elementi sensori in silicio a cristallo singolo. Questi sensori a livello di micron prodotti possono soddisfare quasi tutti i principali driver di progettazione del sistema. I sensori inerziali MEMS hanno gli stessi principi dei sensori inerziali macroscopici. Può rilevare il minimo cambiamento in un oggetto lungo diversi metri utilizzando piccole celle sensore. Questi minimi cambiamenti includono la posizione, l'orientamento e l'accelerazione dell'oggetto.

Esistono due tipi principali di sensori inerziali MEMS. Uno è un accelerometro in grado di misurare l'accelerazione lineare su uno o più assi. Le persone usano spesso questo accelerometro. L'altro è un giroscopio in grado di misurare il movimento angolare. Questi sensori sembrano tutti fatti da persone per applicazioni specifiche. È perché questi sensori inerziali soddisfano le esigenze di molte applicazioni diverse.

La larghezza di banda, la risoluzione e la gamma dinamica di questi sensori variano a seconda del prodotto. Ad esempio, un sistema di rilascio dell'airbag automobilistico è molto alto sul sensore inerziale. Deve avere una larghezza di banda fino a 0,5 KHz e una risoluzione di oltre 500 mG. La sua gamma dinamica deve essere approssimativamente compresa tra +/-100G. Altri tipi di apparecchiature hanno requisiti diversi per queste gamme. Gli strumenti di misura della microgravità dell'aria necessitano di un sensore inerziale con banda larga 0-10Hz. Ma la sua risoluzione deve essere precisa a <1µG e una gamma dinamica inferiore a +/-1G.

Ecco un PDF sulla tecnologia dei sensori inerziali per applicazioni di navigazione.

I sensori inerziali occupano una posizione estremamente importante in qualsiasi applicazione o apparecchiatura. Fa parte del più ampio sistema di controllo del dispositivo o dell'applicazione. Se conosci solo l'accelerazione o il movimento angolare di un oggetto, l'informazione non è molto utile. È perché le informazioni raccolte da questo sensore vengono solitamente utilizzate per controllare il movimento del dispositivo. Naturalmente, può anche attivare un attuatore, come l'apertura di un airbag in un'auto.

Gruppo sensore inerziale

Sensori dell'accelerometro

Il sensore dell'accelerometro è un componente importante di un sensore inerziale, chiamato anche accelerometro. Il sensore supporta la misurazione dell'accelerazione su uno o più assi. L'accelerometro è costituito da un elemento sensore meccanico (blocco di massa standard) e da un circuito di rilevamento. L'elemento sensibile è invece costituito principalmente da un blocco di massa collegato ad un sistema di riferimento mediante un sistema di sospensione meccanica. La massa di rilevamento è una massa sismica molto piccola in un sensore MEMS. Il sistema di sospensione meccanica, invece, è realizzato con molle in silicone di alta qualità.

Il sensore è soggetto a forze inerziali dovute all'accelerazione. Ora, la massa di rilevamento devia dalla sua posizione stabile. La seconda legge del moto di Newton lo spiega bene. L'equazione di Laplace può esprimere la deflessione di un blocco di massa rispetto all'accelerazione.

X / a = 1 / (s 2 + b / m + s × k / m)

In questa equazione, lettere diverse stanno per cose diverse. x sta per lo spostamento del blocco di massa e a è l'accelerazione. s indica l'operatore di Laplace e b è il fattore di smorzamento. m indica la massa del blocco di massa. k è la costante elastica meccanica del sistema di sospensione.

La frequenza di risonanza del sensore può essere espressa come:

fn = √￣(k/m)

L'equazione del fattore di qualità è espressa come:

Q = √￣ (m × k) / b

La sensibilità del sensore (in anello aperto) è espressa come:

S = m/k

Dall'algoritmo di cui sopra, è ovvio che si può vedere una regola. Aumentando o diminuendo la sensibilità, la frequenza di risonanza dell'oggetto cambia. Con un sistema a circuito chiuso, le persone possono regolare liberamente questo compromesso. Il fattore di smorzamento determina la maggiore larghezza di banda dell'accelerometro. Il fattore di smorzamento è tipicamente variabile negli accelerometri MEMS. Questo coefficiente aumenta con lo spostamento della massa rilevata.

Lo spostamento del blocco di massa è misurabile in tutti gli accelerometri micromeccanici. Le persone possono misurare questa distanza di spostamento attraverso un'interfaccia di misurazione della posizione. Il metodo di misurazione è lo stesso della misurazione della capacità. Una piastra mobile attaccata al blocco di massa si sposta tra elettrodi capacitivi fissi. Nella progettazione dell'accelerometro vengono applicati diversi tipi di meccanismi di rilevamento. Questi metodi di rilevamento includono corrente piezoresistiva, piezoelettrica, capacitiva, ottica e tunneling.

Gli accelerometri supportano sistemi a circuito aperto oa circuito chiuso. L'accelerometro ad anello aperto utilizzerà un segnale elettrico dall'interfaccia di misurazione della posizione. E poi, l'accelerometro convertirà il segnale elettrico in un segnale di uscita. Poiché gli accelerometri ad anello aperto sono facili da costruire, la maggior parte delle persone sceglie di usarli. Anche gli accelerometri a circuito aperto hanno uno svantaggio: le persone devono gestirli con tolleranze elevate. Il fattore di smorzamento è dovuto al fatto che l'accelerometro ha una costante elastica variabile. Anche lo spostamento di massa di un accelerometro ad anello aperto richiede un controllo di non linearità.

Un accelerometro a circuito chiuso consente alla massa rilevata di tornare alla sua posizione di riposo. Si basa su un sistema di feedback che vuole tracciare la forza di feedback esercitata dalla massa. Questa forza di retroazione è proporzionale all'accelerazione dell'accelerometro a circuito chiuso. La forza di retroazione si annulla con le non linearità e la sensibilità dipende dal controllo di retroazione. Il segnale di retroazione può anche essere utilizzato per controllare la dinamica del sensore utilizzando un controller di segnale elettrico. Può essere guidato da forze elettrostatiche, termiche o magnetiche per riportare la massa di prova nella sua posizione di riposo. Le persone possono spesso visualizzare il segnale di feedback in forma analogica o digitale. Tutti questi design si aggiungono alla complessità del sensore.

Esistono molti tipi di accelerometri e i seguenti sono alcuni metodi comuni di rilevamento dell'accelerazione:

• Accelerometri meccanici
• Accelerometri ad onde ottiche e acustiche di superficie
• Accelerometri a fluido
• Accelerometri a galleggiante viscoso
• Accelerometri a pressione
• Accelerometri basati su fluidi non elaborati

Sensore di velocità angolare

Un sensore di velocità angolare chiamato anche giroscopio, è progettato per misurare la rotazione di un oggetto. I giroscopi MEMS utilizzano principalmente il principio di Coriolis. Due forze impediscono a una massa di muoversi in un sistema rotante. Queste due forze sono la forza perpendicolare all'asse di rotazione e la forza nella direzione del moto. Un meccanismo meccanico di solito costruisce un giroscopio MEMS. Questa struttura meccanica è spinta in risonanza dalla forza di Coriolis. Eccita le oscillazioni secondarie nella stessa struttura o secondaria. Naturalmente, la forza di Coriolis è minore della forza motrice. Pertanto, tutti i giroscopi MEMS utilizzano il fenomeno della forza di Coriolis nella loro struttura vibrante.

Una coppia di molle collegate a un blocco di massa nel telaio interno forma la struttura vibrante. I telai interno ed esterno sono collegati da un'altra serie di molle ortogonali. Tra il telaio interno e quello esterno esiste un dito sensibile alla capacità. Anche questo dito sensibile alla capacità è collegato lungo le molle ortogonali. La forza di Coriolis aumenta con la velocità angolare dell'oggetto rotante all'aumentare della velocità dell'oggetto. Segue anche verso o lontano dall'asse di rotazione. La massa di ispezione viene quindi azionata in modo sinusoidale continuo attraverso la molla interna. La massa di prova risonante sarà soggetta alla forza di Coriolis mentre il sistema subisce la rotazione. La massa sarà sottoposta a questa forza da una molla ortogonale tra il telaio interno ed esterno. Questa forza lo farà cambiare. Questa forza cambierà la distanza tra le dita di rilevamento capacitivo. Pertanto, il sensore di velocità angolare emette contemporaneamente il relativo segnale elettrico. Questo segnale è proporzionale alla forza di Coriolis.

L'intervallo di precisione dei diversi sottoinsiemi di sensori di velocità angolare si discosterà. I tipi comuni di sensori di velocità angolare sono:

• Giroscopio sintonizzato dinamicamente (DTG)
• Giroscopi a vibrazione
• Giroscopi ottici
• Sensori di velocità angolare a base di fluido
• Tasso Giroscopi Integrazione
• Giroscopi magnetoidrodinamici
• Sensori di velocità a doppio asse
• Giroscopi Jet e Vortex
• Sensori di velocità angolare basati su fluidi microlavorati

Applicazioni dei sensori inerziali

I sensori inerziali possono essere utilizzati in molti settori diversi. Prima, i sensori inerziali erano solitamente limitati alle applicazioni militari e aerospaziali. Il rapido sviluppo dei sensori inerziali MEMS sta diventando disponibile per più applicazioni. È molto ricercato nel settore automobilistico e in vari settori dell'elettronica di consumo.

Le persone usano gli accelerometri per gli airbag automobilistici e le cinture di sicurezza nell'industria automobilistica. E i giroscopi sono utilizzati in applicazioni come la protezione antiribaltamento e gli indicatori automatici.

Il campo dell'elettronica di consumo ha una gamma più ampia di applicazioni. Le persone possono usarlo in fotocamere, cuffie per realtà virtuale, giocattoli intelligenti e tastiere da gioco. Smartphone e tablet utilizzati nella nostra vita sono dotati di sistemi di sensori inerziali. Viene utilizzato principalmente per rilevare la rotazione dello schermo e i giochi e migliorare il senso dell'esperienza di realtà dell'utente.

Supporta inoltre gli utenti a utilizzarlo per controllare la posizione e l'orientamento dei robot manipolatori e dei veicoli robotici senza conducente. Questi sensori possono essere utilizzati anche in campo medico. Può aiutare i medici rintracciare i pazienti affetti da patologie specifiche. Ad esempio, il monitoraggio dei pazienti che hanno il morbo di Parkinson. I sensori inerziali ad alta precisione sono utilizzati principalmente in applicazioni militari e aerospaziali. Le persone possono usarlo nelle munizioni intelligenti, nel rilevamento delle collisioni e nel controllo del volo aereo/missile.

Lettura correlata: L'uso del sistema di sensori inerziali per l'analisi del movimento umano

Tendenze future nei sensori inerziali

La precisione dei sensori inerziali è migliorata notevolmente nel tempo. Ha ampiamente soddisfatto le esigenze di dimensioni, costo e precisione delle applicazioni di navigazione e guida. Negli ultimi anni, si è evoluto dall'essere puramente meccanico a poter incorporare una varietà di tecnologie. Queste tecnologie includono la tecnologia della risonanza magnetica nucleare e la tecnologia dell'atomo freddo. Può anche utilizzare molti fenomeni fisici per calcolare con precisione la potenza applicata all'oggetto. Ma la natura dell'errore dei sensori inerziali è ancora una sfida che deve essere studiata. Credo che le persone supereranno presto questa sfida.

I sensori di accelerazione e i sensori di velocità angolare sono componenti importanti dei sensori inerziali. Tuttavia, la tecnologia dei sensori inerziali copre varie applicazioni in diversi settori. Tuttavia, a seconda della natura del prodotto, la scelta dei componenti del sensore inerziale da realizzare può variare. Non tutti i sensori inerziali sono uguali.

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Domande frequenti sui sensori inerziali

1. Cosa sono i sensori inerziali e come funzionano?

   I sensori inerziali sono dispositivi che misurano il movimento e l'orientamento rilevando i cambiamenti di accelerazione e rotazione. Funzionano utilizzando sistemi microelettromeccanici (MEMS) per rilevare i cambiamenti nel movimento di una piccola massa.

2. Quali sono i diversi tipi di sensori inerziali e come vengono utilizzati?

   I due tipi principali di sensori inerziali sono gli accelerometri, che misurano le variazioni di accelerazione, e i giroscopi, che misurano le variazioni di rotazione. Sono utilizzati in varie applicazioni, tra cui la navigazione, il rilevamento del movimento e la robotica.

3. Come vengono utilizzati i sensori inerziali nei sistemi di navigazione e posizionamento?

   I sensori inerziali possono essere utilizzati con GPS e altri sistemi di posizionamento per fornire una navigazione più precisa e affidabile. Possono anche essere utilizzati nei sistemi di posizionamento indoor dove i segnali GPS non sono disponibili.

4. In che modo i sensori inerziali migliorano il tracciamento e l'analisi del movimento nelle applicazioni sportive e di fitness?

   I sensori inerziali possono fornire agli atleti e agli appassionati di fitness dati in tempo reale sui loro movimenti e prestazioni, come velocità, accelerazione e altezza del salto. Questi dati possono essere utilizzati per migliorare l'allenamento e prevenire gli infortuni.

5. Come vengono utilizzati i sensori inerziali nella robotica e nell'automazione?

   I sensori inerziali possono essere utilizzati nella robotica e nell'automazione per fornire feedback sul movimento e l'orientamento di robot e altre macchine. Ciò può migliorare la precisione e l'accuratezza nella produzione e in altri settori.

6. Quali sono le potenziali applicazioni dei sensori inerziali nei dispositivi sanitari e medici?

   I sensori inerziali possono essere utilizzati nei dispositivi sanitari e medici per monitorare e tracciare il movimento e l'attività del paziente, ad esempio nella riabilitazione o nella terapia fisica. Possono anche essere utilizzati per rilevare e prevenire le cadute nelle popolazioni anziane.

7. In che modo i sensori inerziali possono rilevare e prevenire le cadute nelle popolazioni anziane?

   I sensori inerziali possono essere utilizzati nei dispositivi indossabili per rilevare i cambiamenti di accelerazione e orientamento che possono indicare una caduta. Queste informazioni possono allertare gli operatori sanitari oi servizi di emergenza e aiutare a prevenire gli infortuni.

8. Quali sono le implicazioni etiche dell'utilizzo dei sensori inerziali nei sistemi di sorveglianza e sicurezza?

   L'utilizzo di sensori inerziali nei sistemi di sorveglianza e sicurezza solleva preoccupazioni etiche in merito alla privacy, alla sicurezza dei dati e al potenziale uso improprio. È importante bilanciare i vantaggi di una maggiore sicurezza e protezione con i potenziali rischi per i diritti e le libertà individuali.