Akcelerometry, senzory pro měření statického nebo dynamického zrychlení, jsou vhodné nejen pro měření odstředivých a setrvačných sil, ale i pro určování pozice tělesa, jeho naklonění nebo vibrací. Mezi velmi robustní, odolné a spolehlivé principy patří tzv. tepelné akcelerometry (Thermal Accelerometers) reprezentované firmou MEMSIC a teď prodávané i v ČR.V tomto článku se tedy podíváme na strukturu, princip a stručně i na sortiment tepelných akcelerometrů.

Běžné technologie akcelerometrů

Akcelerometry měří zrychlení, tj. přeměňují zrychlení (změnu pohybu) na měřitelný elektrický signál. V zásadě se využívá hlavně následujících tří principů:

 

• piezoelektrické akcelerometry (PE) - vyšlo v prvním díle - využívají piezoelektrický krystal (přírodní nebo keramiku), který generuje náboj úměrný působící síle, která při zrychlení působí na každý objekt
  


• piezorezistivní akcelerometry (PR) - vyšlo v druhém díle - využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně odporu
  


• tepelné akcelerometry (MEMSIC) - dále v tomto článku - využívají rozdílného přenosu tepla v plynech při klidném nebo pohybujícím se topném tělísku (podobný princip využívají i průtokoměry)
  


• akcelerometry s proměnnou kapacitou (VC) - budou popsány v dalších článcích - využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně kapacity

Tepelné akcelerometry (MEMSIC)

Obecné základní vlastnosti:

• využívají změny přenosu tepla klidného a proudícího vzduchu (plynu) působícím zrychlením
• senzor neobsahuje žádné mechanické pohyblivé části či prvky
• velká odolnost - jednoduchý princip a konstrukce sice neposkytuje úplně špičkové vlastnosti v ohledu přesnosti a rychlosti reakce, na druhou stranu nabízí velmi levnou výrobu, velkou odolnost proti zničení => velkou spolehlivost
• vydrží bez újmy zrychlení až 50 000 g
• velký provozní teplotní rozsah
• dost velká citlivost na okolní změnu teploty (z principu) - nutná kompenzace
• stejná citlivost nezávisle na typu senzoru a výrobci (z principu)
• jen 2D měření (3D měření je velmi špatně realizovatelné)
• snadná realizace => levná výroba a tedy i cena

 

Co jsou to tepelné akcelerometry a jak fungují ?

Tepelné akcelerometry využívají základní fyzikální princip, který se v podobné verzi používá u kalorimetrických průtokoměrech. Jde o přenos tepla v plynu a snímání rozložení teploty v okolí zdroje tepla. Topné tělísko (Heater Bar) zahřívá okolní vzduch (Heated Air) ve vzduchové komoře (Air Cavity) na konstantní teplotu. Rozložení teploty (Temperature) v závislosti na vzdálenosti od topného tělíska (Distance) je měřené teplotními snímači (Temperature sensor). Ty jsou realizovány soustavou termočlánků hliník/polykrystalický křemík umístěné v pravidelných rozestupech. Celá tato soustava je implementována ve vyleptaném příkopě (trench) křemíkového substrátu. Celý senzor, včetně vyhodnocovací elektroniky, je plně integrován na jednom CMOS chipu senzoru, v jednom pouzdře.

V klidovém stavu akcelerometru (No Acceleration), tedy jestliže nedochází k žádnému pohybu samotného senzoru nebo soustavy, ke které je pevně připevněn, je zahřátý vzduch rovnoměrně kulově rozložen okolo topného tělíska - viz obrázek 1.

Pokud se s akcelerometrem začne pohybovat, tj. vznikne zrychlení (Acceleration) v osách X nebo Y, dochází vlivem setrvačnosti vzduchu k jeho posuvu vůči pohybující se komoře (Air Cavity). Prakticky dochází k "posuvu oblaku zahřáté vzduchu" proti směru pohybu senzoru. Vlivem tohoto jevu s krátkodobě změní rozložení teploty měřené teplotními snímači a vzniká tak teplotní rozdíl proti klidovému stavu. Z prostorového poklesu či nárůstu teploty lze zjistit směr pohybu a z teplotního rozdílu rychlost pohybu nebo velikost zrychlení - viz obrázek 2. Z principu měření teploty plyne, že lze měřit pohyb (rychlost, zrychlení, náklon) jen ve dvou osách X a Y, protože rozložení teploty se měří jen plošně.

Z výše uvedeného fyzikálního principu je zřejmé, že základní citlivost a rychlost odezvy tepelného akcelerometru je zhruba stejná, nezávisle typu senzoru a jeho výrobci. Hodnoty se mohou lišit prakticky jen citlivostí teplotního snímače a provedením vyhodnocovací elektroniky. Obr. 4. Posuv (změna) nulové hodnoty zrychlení v závislosti na okolní teplotě

Obr. 5. Závislost citlivosti akcelerometru na okolní teplotě senzoru bez kompenzace a kompenzovaný různými termistory

Velkým problémem a nevýhodou uvedeného principu je velký vliv změny okolní teploty na citlivost. Je to však logické. Teplota v dutině senzoru je nastavena s ohledem na nějaké ochlazování stěnami, které jsou v kontaktu s teplotou okolního vzduchu. Pokud se okolní teplota zvýší nebo naopak sníží, bude i vzduch v dutině více zahříván či ochlazován a tedy rozdíl uvnitř snímané teploty nebude odpovídat jen pohybu (zrychlení) senzoru. K vyloučení tohoto jevu se využívají různé způsoby, odlišné dle výrobce senzoru. Častá je kompenzace externím snímačem teploty (často PTC nebo NTC termistorem). Některé akcelerometry však mají na chipu umístěn pro tento účel vlastní teplotní snímač, který je vyvedený na vnější vývody a tak dovolují vývojáři provést vlastní kompenzaci. Na obrázku 6. je závislost citlivosti na okolní teplotě. Na dalším obrázku 5. je pak porovnání nekompenzovaného průběhu a kompenzací různými termistory.

Použití

• Měření zrychlení, gravitace, náklonu, pohybu, rotace...
• Komunikace: mobilní telefony, PDA...
• HMI a HID rozhraní: PC, myši, elektronická pera ...
• Hrací zařízení: joysticky, hrací simulátory, virtuální realita
• Navigační zařízení: el. kompas, GPS, ...
• Zabezpečovací zařízení
• Automobilový průmysl
• Zdravotnická zařízení: pedometr, monitor srdeční aktivity...
• Ovládání kurzoru a volby v menu náklonem akcelerometru
• Řízení a regulace trakce automobilů a jiných doprav. prostředků
• Regulace pohybu robotů
• apod.

 

 

Příklady provedení tepelných akcelerometrů MEMSIC

Senzor MXD2020E/F

Senzor MXD2020E/F je levný a nízkošumový 2D akcelerometr vytvořený standardními submikronovými CMOS procesy. Rozsah měření zrychlení je +/-1 g při citlivosti 20%/g při napájení 5V a teplotě 25°C. Senzor umožňuje měřit statické (gravitaci) i dynamické zrychlení (např. vibrace). K dispozici jsou dva digitální výstupy DOUTX a DOUTY, zvlášť pro osu X a Y. Protože dávají výstup typu PWM, kde šířka obdélníkového signálu odpovídá úrovni zrychlení, lze z nich filtrací snadno vytvořit analogový signál i je přímo zpracovávat mikroprocesorem. Hodnotě 0 g odpovídá střída obdélníkového signálu 1:1, která se při změně zrychlení o 1g mění o 20 %.

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: +/- 1 g
• Rozlišení: lepší než 1 mg
• Nelinearita: 0.5 % plného rozsahu
• Příčná citlivost: 2 %
• Teplotní ofset: 0.4 mg/°C
• Frekvenční odezva: 17 Hz
• Výstup: PWM s frekvencí 100 nebo 400 Hz
• Citlivost: 20 % / g - změna střídy o 20% při změně o 1 g
• Napájení: 3 až 5.25 V
• Provozní teplotní rozsah: -40 °C až +105 °C
• Pouzdro: LCC, vel.: 5 x 5 x 2 mm
• Další:
  • senzor teploty na chipu - analogový výstup Tout
  • referenční zdroj napětí 2.5 V - výstup Vref
  • vstup pro externí zdroj. hod. signálu - Sck

   

 

Senzor MXD6125Q

Senzor MXD6125Q je levný 2D akcelerometr vytvořený standardními submikronovými CMOS procesy. Rozsah měření zrychlení je +/-1 g při citlivosti 12.5%/g při napájení 3V a teplotě 25°C. Senzor umožňuje měřit statické (gravitaci) i dynamické zrychlení (např. vibrace). K dispozici jsou dva digitální výstupy DOUTX a DOUTY, zvlášť pro osu X a Y. Protože dávají výstup typu PWM, kde šířka obdélníkového signálu odpovídá úrovni zrychlení, lze z nich filtrací snadno vytvořit analogový signál i je přímo zpracovávat mikroprocesorem.

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: +/- 1 g
• Rozlišení: lepší než 1 mg
• Nelinearita: 0.5 % plného rozsahu
• Příčná citlivost: 2%
• Teplotní ofset: 0.1 mg/°C
• Frekvenční odezva: 8 Hz
• Výstup: PWM s frekvencí 100 Hz
• Citlivost: 12.5 % / g - změna střídy o 12.5 % při změně o 1 g
• Napájení: 2.7 až 3.6 V
• Provozní teplotní rozsah: -40 °C až +105 °C
• Pouzdro: LCC, vel.: 5 x 5 x 1.55 mm
• Další:
  • nízkopříkonový power down mód - vývod PD

   

 

Senzor MXC62020 s výstupem I2C

Senzor MXC62020 je levný 2D akcelerometr vytvořený standardními submikronovými CMOS procesy. Rozsah měření zrychlení je +/-2 g při citlivosti 512 nebo 128 tiků/g při napájení 3V a teplotě 25°C. Senzor umožňuje měřit statické (gravitaci) i dynamické zrychlení (např. vibrace). Informace o zrychlení v obou osách jsou prostřednictvím digitálních hodnot vysílány po sběrnici I2C, pomocí dvou výstupů SDA a SCL. Takový signál lze tedy zpracovávat jen MCU. Stejná sběrnice navíc slouží i k nastavování řídícího registru senzoru, který umožňuje navolit komunikační adresu a některé další parametry pro měření a vyhodnocení.

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: +/- 2 g
• Rozlišení: 0.5 mg
• Nelinearita: 0.5 % plného rozsahu
• Příčná citlivost: 2 %
• Teplotní ofset: 0.8 mg/°C
• Frekvenční odezva: 17 Hz
• Výstup: I2C Slave (vývody SDA, SCL), rychlé rozhraní (400 kHz)
• Napájení: 2.7 až 3.6 V, spotřeba < 2 mA
• Kompatibilní s IO 1.8 V
• Provozní teplotní rozsah: 0 až 70 °C
• Pouzdro: LCC, vel.: 5 x 5 x 1.55 mm
• Další:
  • nízkopříkonový power down mód - vývod PD

   

Senzor MXC62020 s analogovým výstupem

Senzor MXC62020 je levný 2D akcelerometr vytvořený standardními submikronovými CMOS procesy. Rozsah měření zrychlení je +/- 10 g při citlivosti 50 mV/g při napájení 5V a teplotě 25°C. Senzor umožňuje měřit statické (gravitaci) i dynamické zrychlení (např. vibrace). Hodnota měřeného zrychlení je převáděna na výstupní lineární analogový signál na výstupech AOUTX a AOUTY s max. rozkmitem +/- 0.5 V (50 mV/g), přičemž hodnotě 0 g odpovídá napětí 1.25 V. Takový signál lze přímo zpracovávat analogovými obvody nebo MCU s A/D převodníkem. Vyvedený analogový výstup teplotního snímače umožňuje provést kompenzaci vlivu okolní teploty.

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: +/- 10 g
• Ciltivost: 50 mV/g
• Nelinearita: 50 mV/g
• Příčná citlivost: 2 %
• Teplotní ofset: 2 mg/°C
• Frekvenční odezva: 30 Hz (nekompenzovaný), >160 Hz (kompenzovaný)
• Výstup: analogový napěťový 0.75 až 1.75 V
• Napájení: 2.7 až 5.25 V, spotřeba < 6 mA
• Provozní teplotní rozsah: -40 až 105 °C
• Pouzdro: LCC, vel.: 5 x 5 x 2 mm
• Další:
  • senzor teploty na chipu - analogový výstup Tout
  • referenční zdroj napětí 2.5 V - výstup Vref
  • vstup pro externí zdroj. hod. signálu - Sck

   

Závěr

Teplotní akcelerometry patří svojí konstrukcí k nejspolehlivějším senzorům zrychlení. Měření pohybu pomocí přenosu tepla totiž prakticky neumožňuje senzor zničit přetížením, tj. vystavení příliš velké hodnotě zrychlení. To je však zaplaceno velkým vlivem okolní teploty na citlivost senzoru. To je obvykle nutné kompenzovat dalším teplotním senzorem (termistorem), který je někdy již umístěn přímo na chipu akcelerometru. Existují i různá zapojení a řešení tohoto problému. O nich a také o měření a přepočtu náklonu na hodnotu zrychlení měřeného senzorem však někdy příště, v dalším článku seriálu o akcelerometrech. Proto sledujte stránky serveru automatizace.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Webová stránka výrobce, firmy MEMSIC - www.memsic.com
• Distributor a dovozce teplotních akcelerometrů do ČR, firma Macroweil spol. s r.o. - www.macroweil.cz