Акселерометры

Акселерометры — это устройства, предназначенные для измерения ускорения. Они могут измерять как линейное ускорение, так и угловое ускорение. Акселерометры преобразуют механическое движение или вибрации в электрический сигнал, который затем можно анализировать для различных применений.

Конструкция, принцип работы и функционал

Внутри акселерометра находится масса, которая перемещается под действием ускорения. Масса удерживается на месте с помощью пружин или демпферов, создающих противодействующую силу. Встроенные датчики измеряют смещение массы и преобразуют его в электрический сигнал. Полученный сигнал поступает в электронный блок, который преобразует его в удобный для использования формат.

Основная функция акселерометров — измерение линейного и углового ускорения. Эти данные используются для множества применений, включая инерциальные навигационные системы, мониторинг вибраций в машинах, активные системы управления (стабилизация изображения, подвески) и управление интерфейсом устройств в потребительской электронике (смартфоны, планшеты).

Типы акселерометров:

Используют пьезоэлектрический материал, который генерирует электрический заряд при деформации:

В основе работы пьезоэлектрических акселерометров лежит использование пьезоэлектрических кристаллов, которые при воздействии на них силы создают электрический заряд. Измерение этого заряда позволяет определить величину ускорения.

Пьезоэлектрические акселерометры широко применяются в промышленности для мониторинга вибраций и диагностики состояния машин. Они отличаются высокой точностью и надёжностью в условиях высоких температур и сильных вибраций, что делает их идеальными для использования в тяжёлой промышленности и энергетике.

Измеряют изменение ёмкости между подвижной и неподвижной пластинами:

Ёмкостные акселерометры измеряют ускорение за счёт изменения ёмкости между подвижными и неподвижными пластинами при воздействии силы. Изменение расстояния между этими пластинами и фиксируется в виде изменения ёмкости.

Они отличаются низким энергопотреблением и высокой чувствительностью, что делает их идеальными для использования в мобильных устройствах, робототехнике и системах управления ориентацией. Кроме того, ёмкостные акселерометры обладают хорошей линейностью сигнала и применяются в автомобильных и авиационных системах.

Используют пьезорезистивные материалы, изменяющие сопротивление при деформации:

Пьезорезистивные акселерометры работают на основе изменения сопротивления пьезорезистивных элементов при деформации под воздействием ускорения. Этот тип акселерометров позволяет измерять как статическое, так и динамическое ускорение.

Пьезорезистивные датчики используются в автомобильной промышленности, медицине и авиакосмической отрасли, где необходимы высокоточные измерения ускорения. Они обладают высокой чувствительностью и могут работать в условиях экстремальных температур и механических нагрузок.

Измеряют изменения температуры, вызванные движением массы:

Термические акселерометры работают на основе измерения изменений температуры в микроструктуре датчика при движении горячего газа или жидкости. Эти изменения температуры позволяют вычислить величину ускорения.

Термические акселерометры используются в условиях, где недопустимо использование других технологий, например, в высокочастотных вибрациях или экстремальных температурах. Они применяются в авиакосмической промышленности, где требуется высокая устойчивость к внешним воздействиям.

Отличительные особенности

Акселерометры характеризуются высокой точностью и чувствительностью, что позволяет фиксировать даже минимальные изменения ускорения. Эти особенности делают их незаменимыми в научных исследованиях, где требуется точное измерение перемещений, а также в промышленных приложениях, таких как контроль вибраций и диагностика оборудования. Точность данных обеспечивает эффективное функционирование устройств, что особенно важно в критически важных отраслях, таких как авиация и автомобильная промышленность.

Широкий диапазон измерений, который поддерживают акселерометры, позволяет использовать их в разнообразных условиях. Эти устройства способны регистрировать ускорения от самых малых значений до экстремально высоких, измеряемых в сотнях g. Это делает их универсальными для широкого спектра задач — от мониторинга микроускорений в исследовательских лабораториях до измерения серьёзных нагрузок в тяжёлой промышленности.

Компактность и лёгкость некоторых моделей, таких как ёмкостные акселерометры, обеспечивают их популярность в мобильной электронике и носимых устройствах. Миниатюризация позволяет встраивать акселерометры в смартфоны, фитнес-трекеры и другие компактные гаджеты, не влияя на их общие габариты и вес. Это особенно важно в условиях роста рынка носимых технологий и мобильных устройств.

Ещё одним важным преимуществом акселерометров является низкое энергопотребление, что делает их эффективными для использования в портативных и автономных системах. При этом они остаются надёжными и долговечными, демонстрируя стабильную работу даже в экстремальных условиях. Эта устойчивость к внешним воздействиям делает их идеальными для применения в тяжёлых отраслях, таких как машиностроение и энергетика.

Основные производители и их популярные модели:

1. Bosch Sensortec — один из ведущих производителей датчиков для мобильных устройств и Интернета вещей, предлагающий инновационные решения для различных приложений.

• BMA456 — компактный и энергоэффективный трёхосевой акселерометр с функцией определения жестов, часто используемый в носимой электронике и умной бытовой технике.
• BMI160 — интегрированный шестосевой датчик инерции с малым энергопотреблением, применяется в мобильных устройствах и системах управления.

2. Analog Devices — компания, специализирующаяся на высокопроизводительных датчиках для промышленного применения, предлагающая надежные решения для сложных задач.

• ADXL355 — низкошумный трёхосевой акселерометр с высокой стабильностью, идеален для вибрационного мониторинга и диагностики.
• ADXL362 — ультранизкий энергопотребляющий акселерометр для использования в системах мониторинга состояния и носимых устройствах, обеспечивающий высокую точность.

3. STMicroelectronics — ведущий производитель сенсоров и микросхем для автомобильной и промышленной отраслей, предлагающий широкий ассортимент инновационных решений.

• LSM6DSOX — инерциальный модуль с интегрированными акселерометром и гироскопом, широко используемый в мобильных устройствах и системах автоматизации.
• LSM303AGR — акселерометр и магнитометр с низким энергопотреблением, идеально подходящий для применения в системах навигации и измерений, обеспечивающий точность данных.

4. Murata Electronics — производитель инновационных решений для датчиков и сенсоров, предлагающий широкий спектр высококачественных продуктов.

• SCA3300 — высокоточный акселерометр для использования в условиях высокой вибрации, идеально подходит для промышленной автоматизации и тяжёлого машиностроения.
• SCC2000 — высоконадёжный датчик с акселерометром и гироскопом, применяется в автомобильной электронике и системах безопасности, обеспечивая высокую точность.

5. Kionix (ROHM) — ведущий производитель акселерометров и других MEMS-сенсоров для потребительской электроники и промышленных приложений, обеспечивающий надежные и инновационные решения.

• KX126 — высокочувствительный трёхосевой акселерометр с низким энергопотреблением, широко используется в носимых и мобильных устройствах для точного мониторинга.
• KX224 — акселерометр с широким диапазоном измерений, предназначенный для промышленного мониторинга и контроля вибраций, обеспечивающий высокую чувствительность.

6. Honeywell — известный производитель датчиков и сенсоров, предлагающий надёжные решения для различных промышленных приложений.

• HSC Series — высокоточные датчики давления, используемые в системах управления и мониторинга процессов.
• ASDX Series — миниатюрные датчики давления с высокой чувствительностью, идеально подходят для медицинских и автоматизированных систем.

7. Texas Instruments — крупный производитель полупроводников и датчиков, предлагающий широкий ассортимент решений для различных приложений.

• ADS1230 — высокоточный АЦП для измерения сигналов с низким уровнем шума, идеально подходит для применения в медицинских и измерительных устройствах.
• HDC2080 — высокоточный датчик температуры и влажности с низким энергопотреблением, применяемый в системах контроля климата.

8. Microchip Technology — компания, предлагающая широкий спектр микроконтроллеров и датчиков для промышленных и потребительских приложений.

• MCP9808 — цифровой датчик температуры с высокой точностью и возможностью работы через I2C, часто используется в системах мониторинга.
• AK9753 — ИК-датчик для измерения температуры и влажности, применяемый в умных домах и системах контроля окружающей среды.

9. Infineon Technologies — производитель высокотехнологичных сенсоров и систем управления для автомобильной и промышленной отраслей.

• MEMS Microphone — высокочувствительный MEMS-микрофон, идеален для использования в мобильных устройствах и аудиосистемах.
• Pressure Sensors — датчики давления, используемые в автомобилях и системах управления климатом.

10. NXP Semiconductors — компания, предлагающая разнообразные решения в области сенсоров и систем управления, которые находят применение в автомобилях и промышленных системах.

• MAG3110 — трехосевой магнитометр для систем навигации и геолокации, обеспечивающий высокую точность.
• MPU-9250 — девятиосевой сенсорный модуль, включающий акселерометр, гироскоп и магнитометр для точного контроля движения.

Тенденции и инновации на рынке

Современные акселерометры становятся всё более востребованными благодаря развитию технологий Интернета вещей (IoT) и умных устройств. Одной из ключевых тенденций является интеграция акселерометров в устройства для мониторинга здоровья и носимую электронику. Это позволяет отслеживать движения, физическую активность и даже жизненно важные показатели в реальном времени, открывая новые возможности для медицины и фитнеса. Разработчики активно внедряют датчики с возможностью самообучения и интеллектуальной обработки данных, что повышает точность и снижает потребление энергии.

Вторая важная тенденция — это миниатюризация и снижение энергопотребления акселерометров. Это особенно важно для мобильных устройств, дронов и автономных транспортных средств, где вес и энергоэффективность играют решающую роль. Новые поколения MEMS-акселерометров становятся всё более компактными, но при этом не теряют в точности измерений. Появляются решения с функцией пробуждения по жестам и поддержкой анализа движения на уровне сенсора, что снижает необходимость в сложной обработке данных на внешнем оборудовании.

Искусственный интеллект и машинное обучение также активно интегрируются в акселерометры. Это позволяет устройствам не просто фиксировать движения, но и анализировать их с высокой точностью. Например, такие датчики могут автоматически определять тип активности (бег, ходьба, падение) и передавать соответствующую информацию для дальнейшей обработки. Использование этих технологий помогает создавать более интеллектуальные системы для индустрии безопасности, здравоохранения и робототехники.

Одним из наиболее значимых трендов остаётся повышение устойчивости и надёжности акселерометров для экстремальных условий эксплуатации. Новые модели разрабатываются с учётом работы в условиях высокой вибрации, температурных перепадов и агрессивных сред. Это делает их незаменимыми в таких отраслях, как тяжёлая промышленность, аэрокосмическая техника и транспорт. Устойчивость к механическим повреждениям и надёжность работы в суровых условиях позволяют использовать акселерометры в самых сложных и критически важных приложениях.

Акселерометры играют ключевую роль в различных отраслях: от потребительской электроники до аэрокосмической промышленности. Их высокая точность, широкий диапазон измерений, надёжность и малые размеры делают их важным элементом современных технологий.