{"id":1861,"date":"2022-10-25T09:58:32","date_gmt":"2022-10-25T09:58:32","guid":{"rendered":"https:\/\/rfidunion.com\/?p=1861"},"modified":"2023-04-17T08:41:39","modified_gmt":"2023-04-17T08:41:39","slug":"inertial-sensors-and-their-applications","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/rfidunion.com\/it\/technology\/inertial-sensors-and-their-applications.html","title":{"rendered":"Cosa sono i sensori inerziali e le applicazioni?"},"content":{"rendered":"

I sensori inerziali sono componenti essenziali di molti dispositivi moderni. Sono usati per misurare l'accelerazione, l'orientamento e la velocit\u00e0 angolare. Questi sensori<\/a> 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 pi\u00f9 piccoli, pi\u00f9 precisi e pi\u00f9 convenienti. Questo post sul blog esaminer\u00e0 i sensori inerziali, il loro assemblaggio, le applicazioni e le tendenze future.<\/p>\n\n\n\n

Cosa sono i sensori inerziali?<\/h2>\n\n\n\n

Un sensore inerziale rileva e misura l'accelerazione, l'inclinazione e la vibrazione di un oggetto. <\/strong>Converte le forze inerziali in segnali elettrici misurabili. \u00c8 un'abilit\u00e0 interessante e utile. \u00c8 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 velocit\u00e0 angolare (giroscopi). Le loro combinazioni a singolo, doppio e triasse IMU e AHRS svolgono un ruolo importante.<\/p>\n\n\n\n

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. Pu\u00f2 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.<\/p>\n\n\n\n

Esistono due tipi principali di sensori inerziali MEMS. Uno \u00e8 un accelerometro in grado di misurare l'accelerazione lineare su uno o pi\u00f9 assi. Le persone usano spesso questo accelerometro. L'altro \u00e8 un giroscopio in grado di misurare il movimento angolare. Questi sensori<\/a> sembrano tutti fatti da persone per applicazioni specifiche. \u00c8 perch\u00e9 questi sensori inerziali soddisfano le esigenze di molte applicazioni diverse. <\/p>\n\n\n\n

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 \u00e8 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 microgravit\u00e0 dell'aria necessitano di un sensore inerziale con banda larga 0-10Hz. Ma la sua risoluzione deve essere precisa a <1\u00b5G e una gamma dinamica inferiore a +\/-1G.<\/p>\n\n\n\n

Ecco un PDF sulla tecnologia dei sensori inerziali per applicazioni di navigazione<\/a>.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

I sensori inerziali occupano una posizione estremamente importante in qualsiasi applicazione o apparecchiatura.<\/strong> Fa parte del pi\u00f9 ampio sistema di controllo del dispositivo o dell'applicazione. Se conosci solo l'accelerazione o il movimento angolare di un oggetto, l'informazione non \u00e8 molto utile. \u00c8 perch\u00e9 le informazioni raccolte da questo sensore vengono solitamente utilizzate per controllare il movimento del dispositivo. Naturalmente, pu\u00f2 anche attivare un attuatore, come l'apertura di un airbag in un'auto.<\/p>\n\n\n\n

Gruppo sensore inerziale<\/h2>\n\n\n\n

Sensori dell'accelerometro<\/a><\/h3>\n\n\n
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\"Schema
Schema della struttura del sensore di accelerazione<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Il sensore dell'accelerometro \u00e8 un componente importante di un sensore inerziale, chiamato anche accelerometro.<\/strong> Il sensore supporta la misurazione dell'accelerazione su uno o pi\u00f9 assi. L'accelerometro \u00e8 costituito da un elemento sensore meccanico (blocco di massa standard) e da un circuito di rilevamento. L'elemento sensibile \u00e8 invece costituito principalmente da un blocco di massa collegato ad un sistema di riferimento mediante un sistema di sospensione meccanica. La massa di rilevamento \u00e8 una massa sismica molto piccola in un sensore MEMS. Il sistema di sospensione meccanica, invece, \u00e8 realizzato con molle in silicone di alta qualit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Il sensore \u00e8 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 pu\u00f2 esprimere la deflessione di un blocco di massa rispetto all'accelerazione.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

X \/ a = 1 \/ (s 2 + b \/ m + s \u00d7 k \/ m)<\/code><\/pre>\n\n\n\n
In questa equazione, lettere diverse stanno per cose diverse. x sta per lo spostamento del blocco di massa e a \u00e8 l'accelerazione. s indica l'operatore di Laplace e b \u00e8 il fattore di smorzamento. m indica la massa del blocco di massa. k \u00e8 la costante elastica meccanica del sistema di sospensione.<\/p>\n\n\n\n
La frequenza di risonanza del sensore pu\u00f2 essere espressa come:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
fn = \u221a\uffe3(k\/m)<\/code><\/pre>\n\n\n\n
L'equazione del fattore di qualit\u00e0 \u00e8 espressa come:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
Q = \u221a\uffe3 (m \u00d7 k) \/ b<\/code><\/pre>\n\n\n\n
La sensibilit\u00e0 del sensore (in anello aperto) \u00e8 espressa come:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
S = m\/k<\/code><\/pre>\n\n\n\n
Dall'algoritmo di cui sopra, \u00e8 ovvio che si pu\u00f2 vedere una regola. Aumentando o diminuendo la sensibilit\u00e0, la frequenza di risonanza dell'oggetto cambia. <\/strong>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 \u00e8 tipicamente variabile negli accelerometri MEMS. Questo coefficiente aumenta con lo spostamento della massa rilevata.<\/p>\n\n\n\n
Lo spostamento del blocco di massa \u00e8 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 \u00e8 lo stesso della misurazione della capacit\u00e0. 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.<\/p>\n\n\n\n
Gli accelerometri supportano sistemi a circuito aperto oa circuito chiuso. L'accelerometro ad anello aperto utilizzer\u00e0 un segnale elettrico dall'interfaccia di misurazione della posizione. E poi, l'accelerometro convertir\u00e0 il segnale elettrico in un segnale di uscita. Poich\u00e9 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 \u00e8 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 linearit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n
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 \u00e8 proporzionale all'accelerazione dell'accelerometro a circuito chiuso. La forza di retroazione si annulla con le non linearit\u00e0 e la sensibilit\u00e0 dipende dal controllo di retroazione. Il segnale di retroazione pu\u00f2 anche essere utilizzato per controllare la dinamica del sensore utilizzando un controller di segnale elettrico. Pu\u00f2 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 complessit\u00e0 del sensore.<\/p>\n\n\n\n
Esistono molti tipi di accelerometri e i seguenti sono alcuni metodi comuni di rilevamento dell'accelerazione:<\/p>\n\n\n\n