Что такое инерциальные датчики и приложения?

Инерциальные датчики являются важными компонентами многих современных устройств. Они используются для измерения ускорения, ориентации и угловой скорости. Эти датчики особенно полезны в приложениях, требующих точного позиционирования или отслеживания движения, таких как аэрокосмическая промышленность, робототехника и автономные транспортные средства. С развитием технологий инерциальные датчики стали меньше, точнее и доступнее. В этом сообщении блога будут рассмотрены инерциальные датчики, их сборка, области применения и будущие тенденции.

Что такое инерционные датчики?

Инерционный датчик обнаруживает и измеряет ускорение, наклон и вибрацию объекта. Он преобразует силы инерции в измеримые электрические сигналы. Это интересная и полезная способность. Это важно для решения задач навигации, ориентации и управления движением несущей. Компоненты инерциальных датчиков обычно включают в себя акселерометры и датчики угловой скорости (гироскопы). Их одно-, двух- и трехосевые комбинации IMU и AHRS играют важную роль.

Становится возможной технология микрофабрикации для производства инерциальных МЭМС-датчиков. Эта технология используется для производства сенсорных элементов с использованием монокристаллического кремния. Эти производимые датчики микронного уровня могут соответствовать практически всем основным требованиям проектирования систем. Инерционные датчики МЭМС имеют те же принципы, что и макроскопические инерциальные датчики. Он может обнаруживать малейшие изменения в объекте длиной в несколько метров с помощью небольших сенсорных ячеек. Эти малейшие изменения включают в себя положение объекта, ориентацию и ускорение.

Существует два основных типа инерциальных датчиков МЭМС. Одним из них является акселерометр, который может измерять линейное ускорение по одной или нескольким осям. Люди часто используют этот акселерометр. Другой — гироскоп, который может измерять угловое движение. Эти датчики все, кажется, сделано людьми для конкретных приложений. Это потому, что эти инерциальные датчики удовлетворяют потребности многих различных приложений.

Полоса пропускания, разрешение и динамический диапазон этих датчиков различаются в зависимости от продукта. Например, система срабатывания автомобильной подушки безопасности очень сильно зависит от инерциального датчика. Он должен иметь полосу пропускания до 0,5 кГц и разрешение более 500 мГс. Его динамический диапазон должен быть примерно в пределах +/-100G. Другие типы оборудования предъявляют другие требования к этим диапазонам. Приборам для измерения микрогравитации в воздухе необходим инерциальный датчик с широкополосным диапазоном частот 0–10 Гц. Но его разрешение должно быть с точностью до <1 мкГс и динамическим диапазоном менее +/-1Гс.

Вот PDF о технологии инерциальных датчиков для навигационных приложений.

Инерциальные датчики занимают чрезвычайно важное место в любом приложении или оборудовании. Это часть более крупной системы управления устройством или приложением. Если вы знаете только ускорение или угловое движение объекта, эта информация не очень полезна. Это связано с тем, что информация, полученная от этого датчика, обычно используется для управления движением устройства. Конечно, он также может активировать исполнительный механизм, например, открыть подушку безопасности в автомобиле.

Сборка инерционного датчика

Датчики акселерометра

Датчик акселерометра является важным компонентом инерциального датчика, также называемого акселерометром. Датчик поддерживает измерение ускорения по одной или нескольким осям. Акселерометр состоит из механического чувствительного элемента (блок стандартных масс) и схемы обнаружения. С другой стороны, чувствительный элемент состоит в основном из блока масс, соединенного с системой отсчета системой механической подвески. Масса обнаружения представляет собой очень маленькую сейсмическую массу в датчике MEMS. С другой стороны, механическая система подвески изготовлена из высококачественных силиконовых пружин.

Датчик подвергается инерционным силам из-за ускорения. Теперь детектирующая масса отклоняется от своего стабильного положения. Второй закон Ньютона объясняет это хорошо. Уравнение Лапласа может выражать отклонение блока массы от ускорения.

Х/а = 1/(с 2 + б/м + с × к/м)

В этом уравнении разные буквы обозначают разные вещи. x обозначает смещение блока массы, а a - ускорение. s обозначает оператор Лапласа, а b — коэффициент затухания. m означает массу блока массы. k — механическая жесткость системы подвески.

Резонансная частота датчика может быть выражена как:

fn = √￣(k/m)

Уравнение коэффициента качества выражается как:

Q = √￣ (м × к) / б

Чувствительность датчика (в разомкнутом контуре) выражается как:

S = м/к

Из приведенного выше алгоритма очевидно, что правило можно увидеть. При увеличении или уменьшении чувствительности изменяется резонансная частота предмета. В замкнутой системе люди могут свободно регулировать этот компромисс. Коэффициент демпфирования определяет наибольшую полосу пропускания акселерометра. Коэффициент демпфирования обычно является переменным в акселерометрах MEMS. Этот коэффициент увеличивается с перемещением обнаруженной массы.

Смещение блока масс измеряется во всех микромеханических акселерометрах. Люди могут измерить это расстояние смещения через интерфейс измерения положения. Метод измерения такой же, как и при измерении емкости. Подвижная пластина, прикрепленная к блоку масс, перемещается между неподвижными емкостными электродами. В конструкции акселерометра применяется несколько различных типов чувствительных механизмов. Эти методы обнаружения включают пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные, оптические и туннельные токовые.

Акселерометры поддерживают системы с разомкнутым или замкнутым контуром. Акселерометр без обратной связи будет использовать электрический сигнал от интерфейса измерения положения. Затем акселерометр преобразует электрический сигнал в выходной сигнал. Поскольку акселерометры с разомкнутым контуром легко построить, большинство людей предпочитают их использовать. У разомкнутых акселерометров есть и недостаток — люди должны управлять ими с большими допусками. Фактор демпфирования обусловлен тем, что акселерометр имеет переменную жесткость пружины. Смещение массы акселерометра без обратной связи также требует проверки на нелинейность.

Акселерометр с обратной связью позволяет обнаруженной массе вернуться в исходное положение. Он основан на системе обратной связи, которая хочет отслеживать силу обратной связи, создаваемую массой. Эта сила обратной связи пропорциональна ускорению акселерометра с обратной связью. Сила обратной связи уравновешивается нелинейностями, а чувствительность зависит от управления обратной связью. Сигнал обратной связи также можно использовать для управления динамикой датчика с помощью контроллера электрического сигнала. Он может приводиться в действие электростатическими, тепловыми или магнитными силами, чтобы вернуть испытательную массу в исходное положение. Люди часто могут отображать сигнал обратной связи в аналоговой или цифровой форме. Все эти конструкции усложняют датчик.

Существует много типов акселерометров, и ниже приведены некоторые распространенные методы определения ускорения:

• Механические акселерометры
• Оптические и поверхностно-акустические волновые акселерометры
• Жидкостные акселерометры
• Вязкостные поплавковые акселерометры
• Акселерометры, управляемые давлением
• Необработанные жидкостные акселерометры

Датчик угловой скорости

Датчик угловой скорости, также называемый гироскопом, предназначен для измерения вращения объекта. Гироскопы MEMS в основном используют принцип Кориолиса. Две силы препятствуют перемещению массы во вращающейся системе. Этими двумя силами являются сила, перпендикулярная оси вращения, и сила, направленная в направлении движения. Механический механизм обычно представляет собой МЭМС-гироскоп. Эта механическая структура приводится в резонанс силой Кориолиса. Он возбуждает вторичные колебания в той же или вторичной структуре. Конечно, сила Кориолиса меньше движущей силы. Таким образом, все МЭМС-гироскопы используют явление силы Кориолиса в своей вибрирующей конструкции.

Пара пружин, соединенных с массовым блоком во внутренней раме, образует вибрирующую конструкцию. Внутренняя и внешняя рама соединены другим набором ортогональных пружин. Между внутренней и внешней рамками находится палец, чувствительный к емкости. Этот палец, чувствительный к емкости, также соединен вдоль ортогональных пружин. Сила Кориолиса увеличивается с угловой скоростью вращающегося объекта по мере увеличения скорости объекта. Он также следует по направлению к оси вращения или от нее. Затем контрольная масса непрерывно движется синусоидально через внутреннюю пружину. Резонансная пробная масса будет подвергаться действию силы Кориолиса по мере того, как система будет вращаться. Масса будет подвергаться этой силе с помощью ортогональной пружины между внутренней и внешней рамой. Эта сила заставит его измениться. Эта сила изменит расстояние между емкостными сенсорными пальцами. Таким образом, датчик угловой скорости одновременно выдает соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал пропорционален силе Кориолиса.

Диапазон точности различных подмножеств датчиков угловой скорости будет отличаться. Распространенными типами датчиков угловой скорости являются:

• Динамически настраиваемый гироскоп (DTG)
• Вибрационные гироскопы
• Оптические гироскопы
• Датчики угловой скорости на основе жидкости
• Гироскопы интеграции скорости
• Магнитогидродинамические гироскопы
• Двухосевые датчики нормы
• Струйные и вихревые гироскопы
• Микромеханические датчики угловой скорости на основе жидкости

Применение инерциальных датчиков

Инерциальные датчики могут использоваться во многих различных отраслях промышленности. Раньше инерциальные датчики обычно ограничивались военными и аэрокосмическими приложениями. Быстрое развитие инерциальных датчиков MEMS становится доступным для большего количества приложений. Он пользуется большим спросом в автомобильной и различных областях бытовой электроники.

Люди используют акселерометры для автомобильных подушек безопасности и ремней безопасности в автомобильной промышленности. А гироскопы используются в таких приложениях, как защита от опрокидывания и автоматические индикаторы.

Область бытовой электроники имеет более широкий спектр применения. Люди могут использовать его в камерах, гарнитурах виртуальной реальности, умных игрушках и игровых клавиатурах. Смартфоны и планшеты, используемые в нашей жизни, оснащены инерциальными сенсорными системами. Он в основном используется для обнаружения поворота экрана и игр и улучшения ощущения пользователя от реальности.

Он также позволяет пользователям использовать его для проверки положения и ориентации роботов-манипуляторов и беспилотных роботизированных транспортных средств. Эти датчики также могут быть использованы в медицине. Это может помочь врачам отслеживать пациентов страдающих конкретными заболеваниями. Например, мониторинг пациентов с болезнью Паркинсона. Высокоточные инерциальные датчики в основном используются в военных и аэрокосмических приложениях. Люди могут использовать его в интеллектуальных боеприпасах, обнаружении столкновений и управлении полетом самолета/ракеты.

Связанное чтение: Использование системы инерциальных датчиков для анализа движения человека

Будущие тенденции в инерциальных датчиках

Точность инерциальных датчиков со временем значительно улучшилась. Он в значительной степени удовлетворил потребности в размерах, стоимости и точности навигационных и навигационных приложений. За последние несколько лет он превратился из чисто механического в способный включать в себя множество технологий. Эти технологии включают технологию ядерного магнитного резонанса и технологию холодного атома. Он также может использовать многие физические явления для точного расчета мощности, приложенной к объекту. Но природа ошибки инерциальных датчиков все еще остается проблемой, которую необходимо изучить. Я верю, что люди скоро преодолеют этот вызов.

Датчики ускорения и датчики угловой скорости являются важными компонентами инерциальных датчиков. Однако технология инерциальных датчиков охватывает различные области применения в разных отраслях. Однако в зависимости от характера продукта выбор формируемых компонентов инерционного датчика может варьироваться. Не все инерциальные датчики одинаковы.

---

Об инерциальном датчике Часто задаваемые вопросы

1. Что такое инерциальные датчики и как они работают?

   Инерционные датчики — это устройства, которые измеряют движение и ориентацию, обнаруживая изменения ускорения и вращения. Они работают с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS) для обнаружения изменений в движении небольшой массы.

2. Какие существуют типы инерциальных датчиков и как они используются?

   Двумя основными типами инерциальных датчиков являются акселерометры, измеряющие изменения ускорения, и гироскопы, измеряющие изменения вращения. Они используются в различных приложениях, включая навигацию, отслеживание движения и робототехнику.

3. Как инерциальные датчики используются в системах навигации и позиционирования?

   Инерциальные датчики можно использовать с GPS и другими системами позиционирования для обеспечения более точной и надежной навигации. Их также можно использовать в системах позиционирования внутри помещений, где сигналы GPS недоступны.

4. Как инерционные датчики улучшают отслеживание и анализ движений в приложениях для спорта и фитнеса?

   Инерционные датчики могут предоставлять спортсменам и любителям фитнеса данные в режиме реального времени об их движении и производительности, такие как скорость, ускорение и высота прыжка. Эти данные можно использовать для улучшения тренировок и предотвращения травм.

5. Как инерциальные датчики используются в робототехнике и автоматизации?

   Инерционные датчики могут использоваться в робототехнике и автоматизации для обеспечения обратной связи о движении и ориентации роботов и других машин. Это может повысить точность и аккуратность в производстве и других отраслях промышленности.

6. Каковы потенциальные области применения инерциальных датчиков в здравоохранении и медицинских устройствах?

   Инерциальные датчики могут использоваться в здравоохранении и медицинских устройствах для мониторинга и отслеживания движения и активности пациента, например, в реабилитации или физиотерапии. Их также можно использовать для выявления и предотвращения падений среди пожилых людей.

7. Как инерционные датчики могут обнаруживать и предотвращать падения пожилых людей?

   Инерционные датчики можно использовать в носимых устройствах для обнаружения изменений ускорения и ориентации, которые могут указывать на падение. Эта информация может предупредить лиц, осуществляющих уход, или службы экстренной помощи и помочь предотвратить травмы.

8. Каковы этические последствия использования инерциальных датчиков в системах наблюдения и безопасности?

   Использование инерционных датчиков в системах наблюдения и безопасности вызывает этические опасения в отношении конфиденциальности, безопасности данных и возможного неправомерного использования. Важно сбалансировать преимущества повышения безопасности и защиты с потенциальными рисками для прав и свобод человека.