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. Senzory MMAxxxx firmy Freescale jsou přímo integrované v jedné součástce společně s obvody zpracování signálů. Více informací najdete 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 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 představitele senzorů akcelerometrů pro nízké hodnoty zrychlení (nízká g ) (viz. tabulka 1.) patří integrované obvody firmy Freescale semiconductor, 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 (ochrana harddisků, hlídání funkce motorů)
• Měření natočení a detekce otáčení
• Přesné měření náklonu s rychlou odezvou
• Měření a detekce pohybu a rychlosti (černé skřínky)
• Měření a detekce seismické aktivity
• Detekce pádu, monitorování rázů při přepravě
• Měření odstředivé síly a zrychlení
• Navigační systémy - GPS, elektronický kompas (E-compass)
• Zařízení: Pedometr, MP3 přehrávače, roboti, přenosná elektronika, herní simulátory

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 fukce integrovaného senzoru Freescale

Freescale akcelerometr, resp. senzor zrychlení, je povrchově integrované mikrozařízení, které se sestává ze dvou částí:

• senzor - mechanické části - povrchově integrované kapacitní měřící buňky (g-cells)
• ASIC integrovaných obvodů pro zpracování signálů ze senzoru

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 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. Křemíkové pružiny umožňují pohyb celé mechanické struktury po povrchu monokrystalu a zároveň poskytují mechanický odpor síle vzniklé zrychlením. Prohnutí a deformace takové to struktury je převedena na změnu kapacity diferenciálního kondenzátoru (viz. obrázek 2.).Ten je složen z dvou pevných desek a desky pevně spojené s deformujícím se nosníkem (beam).

Obr. 2. Princip senzoru akcelerometru

Působení zrychlení tak ve výsledku mění vzdálenost (zvyšuje nebo snižuje) pohyblivé elektrody kondenzátoru, což mění kapacitu senzoru v závislosti na intenzitě zrychlení (viz. obrázek 2.).

MMA7260Q - XYZ AXIS ACCELEROMETER ± 1.5g/2g/4g/6g

MMA7260Q je levný senzor zrychlení s možností externího nastavení a změny rozsahu v pevných krocích ± 1.5g/2g/4g/6g přivedením logických úrovní napětí 0 nebo 1 na dva vstupy g-Select (viz. tabulka 2.). Tak lze, při použití libovolného mikrokontroléru (viz. obr. 6.), softwarově nastavit vnitřní zisk senzoru a tím měnit rozsah i citlivost. To je vhodné pro aplikace vyžadující rozdílnou citlivost pro optimální výkon a přesnost měření. Dále je součástí senzoru vyhodnocovací logika, provádějící převod působícího zrychlení na výstupní napěťový signál.

Hlavní parametry MMA7260Q:

• Napájení: 3.3 V, cca 500 µA, sleep mód = 3 µA
• Rozsah měření zrychlení: ± 1.5g / 2g / 4g / 6g v osách X, Y, Z (volba rozsahu - viz tab.2)
• Výstup:
  • napěťový signál 1.65 V při 0 g (teplotní drift ±2 mg/°C)
  • citlivost 200 až 800 mV/g (viz. tab. 2.) (teplotní drift ±2 %/°C
• Max. zrychlení bez poškození senzoru: ± 2000 g
• Frekvenční šířka pásma měření zrychlení: v osách X a Y = 350Hz, v ose Z = 150 Hz
• Teplotní rozsah: -20°C až +85°C
• Nelinearita: max. ± 1 % plného rozsahu
• Pouzdro: 16pin QFN, rozměry 6 x 6x 1.45 mm

Vnitřní zapojení senzoru

Na obrázku 5. je blokové schéma senzoru MMA7260Q obsahující hlavní části. Základem je samotný senzor zrychlení G-Cell, který pracuje jako převodník zrychlení g -> kapacita C. Jeho výstup je přiveden na vstup převodníku kapacita C -> napětí V (C to V Converter) a poté na obvody zesílení a filtrace (Gain + Filter). Protože bloky převodníku i 1-pólového filtru pracují na principu spínaných kapacitorů (nejjednodušší varianta pro plnou integraci), je na jejich vstup přiveden hodinový spínací signál z oscilátoru upravený v bloku generátoru hodin (Clock Generator). Spínací / vzorkovací frekvence je 11 kHz. Proto by vzorkovací frekvence a hodinové signály dále připojených MCU, A/D převodníků nebo spínaných zdrojů měli být jiné, aby nenastávalo k interferencím.

Příklad obvodového zapojení

MMA1220D/1250D/1260D/1270D - Z AXIS ACCELEROMETERS

Série senzorů MMA12x0D pracuje jako senzor zrychlení v ose Z s pevným rozsahem měření zrychlení ±1.55g/2.5g/5g/8g dle typu obvodu. Také se liší citlivostí, zatímco ostatní parametry, včetně vnitřní struktury, jsou převážně shodné (viz. následný přehled hlavních parametrů). Výstup je opět analogový, kdy výstupní napětí má lineární závislost na působící měřené zrychlení. Protože senzory měří jen v ose Z kolmé na pouzdro (viz. obrázek), je zde důležitá správná orientace pouzdra/senzoru v zařízení.

Hlavní parametry MMA1220D / MMA1250D / MMA1260D - Z AXIS ACELEROMETER:

• Napájení: 5.0 V, cca 5mA, není sleep mód
• Rozsah měření zrychlení v ose Z: ± 8g (MMA1220D), ± 5g (MMA1250D), ± 1.55g (MMA1260D), ± 2.5g (MMA1270D)
• Výstup:
  • Napěťový signál 2.5 V při 0 g
  • citlivost: 250 mV/g (MMA1220D), 400 mV/g (MMA1250D), 1200 mV/g (MMA1260D), 750 mV/g (MMA1270D)
• Max. zrychlení bez poškození senzoru: ± 1500 g
• Frekvenční šířka pásma měření zrychlení: typ. 250Hz (MMA1220D), 50Hz (MMA1250D/1260D/1270D)
• Teplotní rozsah: -40°C až +105°C
• Nelinearita: max. -1 až 3 % FSO (MMA1220D), max. ±1 % FSO (MMA1250D/1260D/1270D),
• Pouzdro: 16pin SOIC
• Další: vlastní testovací systém senzoru (Self-test), detekce chybné funkce senzoru STATUS (nízké napájecí napětí apod.)

Vnitřní zapojení senzoru

Obrázek 7. ukazuje blokové schéma řady senzorů MMA12x0D. Základem je samotný senzor zrychlení G-Cell, který pracuje jako převodník zrychlení g -> kapacita C. Kapacitu na napětí převádí integrátor, jehož doba integrace závisí na velikosti kapacity G-Cell senzoru. Poté je napěťový signál upraven obvody zesílení, filtrace a teplotní kompenzace (Gain + Filter + Temp Comp). Protože bloky převodníku i 4-pólového Besselova filtru pracují na principu spínaných kapacitorů, je na jejich vstup přiveden hodinový spínací signál z oscilátoru upravený v bloku generátoru hodin (Clock Generator). Blok Self-test provádí testování správné funkce senzoru a i následujících obvodů tím, že elektrostatickou silou vychýlí pohyblivou elektrodu diferenciálního kondenzátoru senzoru a tím simuluje působení zrychlení určité velikosti. Blok řídící logiky (Control Logic) reguluje zisk zesilovače a teplotní kompenzaci. Poskytuje také chybový signál (log. 1) na výstupu STATUS, když ve funkci obvodu nastane chyba a výsledek tedy není dostatečně přesný.

Příklad obvodového zapojení

MMA6231Q/6263Q - XY AXIS ACCELEROMETERS

Senzory řady MMA62xxQ měří zrychlení v osách X a Y v rozsahu ± 10g/1.5g (dle typu). Pomineme-li pevný měřící rozsah v osách X a Y a s tím spojenou i citlivost, jsou parametry podobné k senzoru MMA7260Q. Proti němu bavíc nenabízí mód nízké spotřeby (sleep mód), ale zase obsahu testovací obvod správné funkce senzoru (Self-test).

Hlavní parametry MMA6231Q / MMA6263Q - XY AXIS ACELEROMETER:

• Napájení: 3.3 V, cca 2.2mA, není sleep mód
• Rozsah měření zrychlení v ose X a Y: ± 10 g (MMA6231Q), ± 1.5g (MMA6263Q)
• Výstup:
  • Napěťový signál 1.65 V při 0 g (teplotní drift 2 mg/°C)
  • citlivost: 120 mV/g (MMA6231Q), 800 mV/g (MMA6263Q) (teplotní drift 0.015%/°C)
• Max. zrychlení bez poškození senzoru: ± 2000 g
• Frekvenční šířka pásma měření zrychlení: typ. 900Hz (MMA6231Q/MMA6263Q), 50Hz až 300Hz (MMA6260Q až 6262Q)
• Teplotní rozsah: -40°C až +85°C
• Nelinearita: max. ± 1 % plného rozsahu
• Pouzdro: 16pin SOIC
• Další: vlastní testovací systém senzoru (self-test)

Vnitřní zapojení senzoru

Na obrázku 10. je blokové schéma senzorů řady MMA62xxQ. Princip senzoru je podobný se senzory řady MMA12x0D, pouze jsou zde některé bloky zdvojeny z důvodu měření zrychlení ve dvou osách (X a Y). Další rozdíl je v neexistenci chybového hlášení (pin STATUS).

Příklad obvodového zapojení

Obvodové zapojení je shodné s obrázky 8. a 9. pouze s tím rozdílem, že jsou zde dva výstupy pro osy X a Y místo jednoho výstupu pro osu Z.

Vývojové kity & příklady zařízení

Pro předběžné otestování senzorů a práci s nimi lze použít několik firemních vývojových kitů. Jednou možností je kit obsahující senzor MMA7260Q s možností měření v osách XYZ a přepínání rozsahů (Evaluation Kit for the XYZ-axis). Součástí kitu je destička se senzorem, software a dokumentace na CD-ROM. Další možností je použít kit obsahující mimo senzor zrychlení MMA6261Q i rychle se rozšiřující komunikační rozhraní ZigBee a připojení k síti Ethernet pomocí procesoru ColdFire MCF5282. Dále pak i další senzory z nabídky Freescale (tlaku atd.).

Na obrázku 11. je příklad Freescale vývojové desky STAR (The Sensing Triple Axis Reference Board) / zařízení vzniklého spojením "všestranného" senzoru MMA7260Q, MCU HC908 a rozhraní RS-232. Desku je možné si udělat i vlastní výrobou, protože veškerý popis součástek, zapojení i hotové desky plošných spojů je v dokumentaci AN3112.pdf.

Závěr

Senzor zrychlení, tj. akcelerometr, je možné použít v nepřeberném množství aplikací a zařízení, které jsou nějak spojené s možností nějakého pohybu (plynulý pohyb, vibrace, pády, rázy apod.), protože všude tam lze měřit statické nebo dynamické zrychlení. Senzory Freescale do české republiky oficiálně distribuuje firma Spoerle Electronic - Praha (An Arrow Company).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka českého distributora firmy SPOERLE ELECTRONIC spol. s.r.o. - www.spoerle.com - kontakt v čR
• Domovská stránka firmy Freescale - divize firmy Motorola - www.freescale.com
  
• datasheet obvodu MMA7260Q (12 stran)
• datasheet obvodu MMA1220D (7 stran)
• datasheet obvodu MMA1250D (6 stran)
• datasheet obvodu MMA1260D (6 stran)
• datasheet obvodu MMA1270D (6 stran)
• datasheet obvodu MMA6233Q (6 stran)
• datasheet obvodu MMA6263Q (7 stran)
  
• aplikační list pro zhotovení vývojové desky STAR (8 stran)
  
• článek o akcelerometrech Analog Devices
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz