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. Nejznámejší uplatnění je patrně v automobilové průmyslu. Dnes již existují senzory přímo integrované v jedné součástce společně s dalšími obvody. Více o principu akcelerometrů a IO Analog Devices je v tomto článku ...

Obecně mezi méně známé, ale v dnešním průmyslu a zařízeních dost užívané senzory patří akcelerometry. Obecně se dá říci, že se jedná o senzory měřící dynamické zrychlení (akceleraci), resp. sílu vzniklou změnou rychlosti pohybujícího se předmětu resp. senzoru, nebo statické zrychlení, resp. sílu vzniklou působením gravitace (přitažlivostí) Země. Mezi měření dynamického zrychlení patří i detekce vibrací. Statické zrychlení je již ze svého principu neustále přítomné a je tedy ho nutné při měření dynamického zrychlení ve výsledcích odstranit filtrací.

Dnešní vyspělé integrované senzory obvykle poskytují obě možnosti měření v rámci jednoho integrovaného obvodu. Ten zároveň obsahuje snímací prvek (senzor) i jednoduché nebo složité vyhodnocovací obvody. Mezi hlavní představitele takových to senzorů patří integrované obvody firmy Analog Devices, o kterých dále pojednává tento článek.

Použití

Akcelerometry lze použít v mnoha aplikacích, jako například:

• Automobilový průmysl - senzory pro airbagy, zařízení pro řízení jízdní stability vozidla (ESP)
• Měření vibrací
• Měření natočení a detekce otáčení
• Přesné měření náklonu s rychlou odezvou
• Měření a detekce pohybu a rychlosti
• Měření a detekce seismické aktivity
• Měření akcelerace
• Měření odstředivé síly a zrychlení
• Navigační systémy
• Zabezpečovací systémy vozidel

Prakticky veškerý mechanický pohyb, který lze fyzikálně vztáhnout ke gravitaci lze těmito senzory měřit s dostatečně velkou přesností a hlavně vysokou rychlostí odezvy na změny.

Princip integrovaného senzoru Analog Devices

Díky patentované technologii iMEMS firmy Analog Devices, je celá mechanická struktura senzoru spolu s vyhodnocovacími obvody na jednom monolitickém integrovaném obvodu. Princip měření je založen na změně kapacity vnitřního proměnného integrovaného kondenzátoru vlivem působící síly vzniklé zrychlením pouzdra senzoru. Struktura obvodu obsahuje polykřemíkový mikromechanický senzor a technologií BiMOS integrované obvody pro zpracování signálu ze senzoru. Struktura senzoru umožňuje měřit kladná i záporná statická i dynamická zrychlení. Samotný integrovaný senzor je vlastně povrchová mikromechanická polykřemíková struktura (nosník, pružiny, pevné úchyty) "plovoucí" na povrchu křemíkového monokrystalu (viz. obrázek 1). Křemíkové pružiny umožňují pohyb celé mechanické struktury po povrchu monokrystalu a zároveň poskytují mechanický odpor síle vzniklé zrychlením, jak je vidět na obrázku 2.

Obr.1. Struktura senzoru bez působení zrychlení ( 0 g)

Obr.2. Struktura senzoru při působení zrychlení

Prohnutí a deformace takové to struktury je převedena na změnu kapacity diferenciálního kondenzátoru.Ten je složen z dvou pevných desek (fixed outer plates) a prostřední desky (central plate) pevně spojené s deformujícím se nosníkem (beam). Diferenciální kondenzátor tvoří dělič pro dva obdélníkový signály stejné amplitudy vzájemně posunuté ve fázi o 180°, které budí jeho pevné desky. Působícím zrychlením dojde k posunutí prostřední desky a tím dojde ke změně dělícího poměru diferenciálního kondenzátoru. Na výstupu se objeví obdélníkový signál o amplitudě úměrné hodnotě zrychlení a fázi, která nese informaci o směru pohybu nosníku, tedy o směru působícího zrychlení.

Obrázek 3. ukazuje principielní schéma vyhodnocení obdelníkového signálu. Ten je přiveden do synchronního demodulátoru spolu s hodinovým signálem z generátoru. Demodulátor potlačí veškěré signály, které nejsou synchronní s hodinovým signálem. Signál, který je ve fázi s hodinovým signálem je pak vyhodnocen jako kladné napětí na výstupu demodulátoru, signál posunutý o 180° jako napětí záporné. Výstup z demodulátoru je pak přiveden na vstup předzesilovače, který provádí kalibraci na dané napětí pro zrychlení 0 g. Interní zpětná vazba (Internal feedback loop) vyvolává vnitřní elektrostatickou sílu, která vrací nosník do původní pozice.

IO ADXL105

Integrovaný obvod ADXL105, náhrada bývalého akcelerometru ADXL05, je jednoosý akcelerometr s měřícím rozsahem ± 5g s rozlišením 2 mg a analogovým výstupem s hodnotou napětí odpovídající hodnotě zrychlení. Krátkodobě však senzor bez poškození snese až 1000g. Rozlišení 2mg je umožněno díky nízké hladině šumu senzoru 225 µg/√Hz. Tak je možné využít frekvenčního rozsahu až 10kHz a měřit případně detekovat vibrace (dynamické zrychlení) v širokém rozsahu. Nominální převodní konstanta 250 mV/g je však možné zvětšit nebo zmenšit využitím integrovaného operačního zesilovače UCA a dvou externích rezistorů až na 1.5V/g (viz. obrázek 5.).

Obr. 4. Blokové schéma IO ADXL105

Obr. 5. Příklad zapojení vnitřního OZ (UCA) pro změnu převodní konstanty senzoru (SCALE) s nastavením vyvážení

Obvod lze napájet v širokém rozsahu napětí 2.7V až 5.25V, přičemž použití napájecího napětí 2.7V umožňuje minimalizovat spotřebu obvodu až na 3.5mW. Pokud však výstup obvodu je napojen na A/D převodník je možné během doby převodu senzor odpojit od napájení a dále tím spotřebu minimalizovat. Výrobce u obvod ADXL105 uvádí potřebný čas od zapnutí obvodu do doby, kdy obvod dává již přesnou hodnotu, pod 700 µs. Protože výstup obvodu Aout má od výrobce garantovaný dodávaný proud pouze 50 µA, je vhodné použít oddělovací buffer před samotný A/D převodník. Obvod obsahuje i testovací TTL/CMOS vstup ST (Self-Test), který po přivedení kladného napětí Vdd způsobí vychýlení nosníku senzoru a na výstupu se objeví napětí. Takto lze automaticky otestovat elektrickou i mechanickou funkci senzoru přímo v aplikaci, což je například v případě automobilových airbagů jistě důležité.

Navíc mimo samotný senzor a integrovaný operační zesilovač, je na chipu i teplotní snímač s převodní konstantou 8mV / °C. Ten je určen pro kompenzaci teplotní závislosti offsetu akcelerometru v případě velmi přesných měření. Při teplotě 25°C výstup Tout dodává napětí Vdd/2, tj. 2.5V s offsetem ± 625mV pří napájecím napětí 5V.

Obr. 6. Příklad zapojení filtru typu dolní propust 2. řádu s nastavením zesílení

Obr. 7. Příklad zapojení filtru typu horní propust 2. řádu

Integrovaný operační zesilovač lze využít i pro vytvoření filtru typu dolní nebo horní propust prvního nebo druhého řádu pro možnost zúžení frekvenčního pásma měřeného zrychlení a tím omezit vliv působícího rušení a šumu a tím zvýšit rozlišení (viz obrázky 5. a 6.). Použitím filtru typu horní propust se lze zbavit závislosti výstupu senzoru na gravitaci Země (statické zrychlení) a tím sledovat pouze dynamické změny v určitém frekvenčním pásmu. Na obrázku 7. lze vidět změnu napětí na výstupu vlivem působící gravitace při natáčení senzoru.

Obr. 7. Hodnota výstupu Aout při otáčení senzorem v gravitačním poli

IO ADXL202/210

Integrované obvody ADXL202 a ADXL210 jsou dvouosé akcelerometry s měřícím rozsahem zrychlení ± 2g v případě ADXL202 a ± 10g v případě ADXL210 a s rozlišením až 5 mg ve frekvenčním pásmu 60Hz. Toto rozlišení je dáno typickou úrovní šumu 500 µg/odpocnina Hz. Oba obvody, stejně jako ADXL105, krátkodobě bez poškození vydrží až 1000g. Oba obvody obsahují separátní digitální výstup pro každou osu pro jednoduché další zpracování a vyhodnocení libovolným levným mikrokontrolérem. Obvody poskytují i separátní analogové výstupy. Napájecí napětí se může pohybovat od 3.0V až do 5.25V.

Jak lze vidět na obrázku 8., výstupní digitální signály jsou v podobě pulsně-šířkové modulaci, kde délka impulsu T1 je úměrná působícímu zrychlení. Perioda T2 je během měření konstantní, ale lze ji měnit hodnotou externího připojeného rezistoru Rset v rozmezí 0.5ms až 10ms. Nominální hodnota délky T1 je 50% T2 pro působící zrychlení 0 g. Takto řešený výstup je výhodný pro zpracování libovolným jednoduchým mikrokontrotérem bez A/D převodníku nebo nějakého komunikačního standardu a s malým počtem I/O pinů. Analogový signál lze získat přes buffer z výstupů Xfilt a Yfilt, které jsou však primárně určeny k nastavení šířky pásma. To se provede připojením externích kondenzátorů, jejichž hodnoty lze vypočítat dle vzorců uvedených v datasheetu k obvodu (viz. Download & Odkazy). Podle výrobce je však vhodnější vytvořit analogový signál průchodem obdélníkového signálu RC filtrem.

Co se týče použití, je akcelerometr ADXL202 s rozsahem ±2g vhodnější pro aplikace využívající statického zrychlení (gravitace), například měření náklonu. Zde se převážně rozlišuje zrychlení v rozsahu -1g až +1g a proto zde není nutné použít obvod ADXL210, který se pak více hodí pro velká dynamická zrychlení. Na obrázku 9. a 10. je právě příklad změny výstupního signálu senzoru při pomalém naklonění (otáčení) v gravitačním poli Země a napájení +5V. Podrobnější popis aplikací těchto senzorů i s tabulkami a potřebnými vzorci, lze opět nalézt v datasheetu k obvodům (viz. Download & Odkazy).

Obr. 9. Princip použití senzoru pro měření náklonu

Obr. 10. Parametry výstupního signálu při otáčení senzorem

Závěr

Moderní akcelerometry v podobě plně integrovaných obvodů jsou možným řešením mnoha praktických úloh. Rostoucí uplatnění by mohly zaznamenat v oblasti zabezpečovacích systémů, ať již z pohledu detekce otřesů nebo detekce pohybu daného hlídaného předmětu. Tento článek nemá sloužit jako přesný návod použití, ale cílem bylo upozornit na existenci zatím málo známé a však zajímavé skupiny senzorů. Distribuci integrovaných obvodů v české Republice provádí například firma AMTEK spol. s r.o.. Bližší informace o samotných obvodech i dalších součástkách Analog Devices lze získat na oficiálních stránkách firmy (viz. Download & Odkazy).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka českého distributora firmy Analog Devices - http://www.amtek.cz
• Domovská stránka Analog Devices - http://www.analog.com
  
• datasheet obvodu ADXL105 (8 stran)
• datasheet obvodu ADXL202 a 210 (11 stran)
• datasheet staršího již nevyráběného obvodu ADXL05 (náhradou je obvod ADXL105) - obsahuje podrobný popis funkce senzoru akcelerometru