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科普知識
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應變式壓力傳感器

加速度計的各種應用以及現狀

發布日期:2022-08-21 點擊率:74

  加速度計的各種應用,包括我們在理想狀態的想法和已經實現的應用,目前看來都需要我們深入的研究。

  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布負荷,直至負荷達到平衡為止。

  現狀。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,使甩干過程能效更高,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,馬達的峰值負荷更低,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。

  現狀。利用軸承的振動“特征”來確定其狀況是業界公認且成熟的設備維護方法,但為了獲得精確結果,需要較寬的測量帶寬。

  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。

   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,采用當今的表面微加工加速度計無法實現。對于溫度范圍適中的應用,高穩定性加速度計可以勝任。對于寬溫度范圍、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,要在寬溫度范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,仍然難以實現優于±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。微控制器借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。

  現狀。手機屏幕占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于用戶界面功能,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、基于方向的振鈴控制等。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為力。沖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。本應用利用加速度計的高分辨率能力。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。這需要良好的溫度穩定性,沒有人希望自己的汽車因為天氣變化而發出警報。這項應用目前已在OEM和售后汽車防盜系統中實現。

  滑雪板固定器。加速度計測量總沖擊能量和“特征”,確定是否應當松開固定器。

  現狀。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沖擊力,就能精確判定是否應當松開固定器。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)。

  現狀。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)。如果不采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。較短的積分周期(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。加速度計可以用來制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。

  加速度計的各種應用,包括我們在理想狀態的想法和已經實現的應用,目前看來都需要我們深入的研究。

  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布負荷,直至負荷達到平衡為止。

  現狀。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,使甩干過程能效更高,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,馬達的峰值負荷更低,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。

  現狀。利用軸承的振動“特征”來確定其狀況是業界公認且成熟的設備維護方法,但為了獲得精確結果,需要較寬的測量帶寬。

  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。

  現狀。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(優于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,采用當今的表面微加工加速度計無法實現。對于溫度范圍適中的應用,高穩定性加速度計可以勝任。對于寬溫度范圍、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,要在寬溫度范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,仍然難以實現優于±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。微控制器借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。

  現狀。手機屏幕占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于用戶界面功能,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、基于方向的振鈴控制等。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為力。沖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。本應用利用加速度計的高分辨率能力。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。這需要良好的溫度穩定性,沒有人希望自己的汽車因為天氣變化而發出警報。這項應用目前已在OEM和售后汽車防盜系統中實現。

  滑雪板固定器。加速度計測量總沖擊能量和“特征”,確定是否應當松開固定器。

  現狀。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沖擊力,就能精確判定是否應當松開固定器。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)。

  現狀。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)。如果不采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。較短的積分周期(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。加速度計可以用來制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。

  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,一般先抬腳,使腿部前移,然后落下,向后推腿部。加速度計戴在小腿或腳上的某個位置,以便檢測腿的位置。然后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范例。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于液體會晃動,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后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,系統可以采用小型鋰電池工作,使得最終封裝產品并不顯眼。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。

  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于相位。

  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,因而使眾多新型應用得以實現。其中有許多應用并不屬于加速度計的傳統應用范圍,超出了人們的預期。

  現在看來,設計人員的想象力似乎才是潛在應用范圍的限制因素,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,但對那些違背物理定律的所謂“解決方案”最好敬而遠之。


  

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