X
06.05.2025
Акселерометр – компонент, который преобразует ускорение в электрический сигнал. Современные акселерометры очень миниатюрны и выполнены в корпусе микросхемы, размером несколько миллиметров. Это МЭМС (MEMS) устройства, то есть микро электромеханические системы, выполненные в едином цикле, сочетающим механические подвижные части и электронную внутреннюю схему.
Внутренняя структура
Чувствительный элемент как правило имеет ёмкостную структуру. То есть значение ускорения определяется через изменение емкости между подвижной механической частью и жестко закрепленной механической частью. Если попытаться представить это на простом примере – это будет две расчески, зубья которых входят параллельно друг другу и чередуются, либо расположены друг над другом и выполняют функции обкладок конденсаторов. При ускорении в направлении перпендикулярном плоскости «зубьев», подвижная часть смещается и уменьшается расстояние между обкладками, соответственно, меняется емкость конденсатора. Через изменения емкостей и вычисляется значение ускорения.
Рис. 1 Внутренняя структура чувствительного элемента акселерометра.
Кроме чувствительной механической части в акселерометре реализована еще и электронная. Микросхема содержит как правило усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), схему питания и преобразователи интерфейсов. Помимо этого, может быть (а чаще всего есть) набор других блоков: температурный датчик, буферы данных, схемы самотестирования, генераторы и прочие.
Применение акселерометров
В современной электронике акселерометры имеют очень широкое применение, например:
-
Автоэлектроника
Это могут быть треккеры (реализация функции Dead reckoning), охранные устройства, элементы системы безопасности (например, подушки безопасности или устройства экстренного оповещения (eCall, Эра-Глонасс)), системы автономного вождения.
-
Мобильные устройства
Телефоны, фитнес браслеты, умные часы
-
Бытовая электронная техника
Системы стабилизации изображения в фото и видеотехнике, VR-устройства, IoT.
-
Робототехника
-
Сельское хозяйство
Системы точного земледелия, агродроны
-
Промышленная электроника
-
Медицинские изделия
Ключевые параметры устройств и типовые модификации, представленные на рынке
Главными характеристиками акселерометров являются следующие:
-
Диапазон измерения
Определяет максимальный диапазон ускорений, которые могут быть измерены. Размерность: в единицах g. Обычно этот параметр можно задать программно. Как правило, диапазоны равны степени числа 2 (±2g, ±4g, ±8g, ±16g) или число 3 умноженное на степени числа 2 (±3g, ±6g, ±12g, ±24g).
-
Чувствительность
Параметр, который указывает на дискретизацию измеряемых значений. В основном измеряется в LSB/g (LSB - Least Significant Bit). Зависит от разрядности АЦП. Например, для 16-битного АЦП и диапазона в ±8g, этот параметр будет равен: 216 / 8*2 = 4096 LSB/g. Это означает, что в диапазоне измерения от -8g до +8g будет 4096 дискретных значений.
-
Температурная стабильность
Характеризует изменение измерений акселерометра от изменения температуры. Температурные колебания влияют на упругость подвеса (неподвижной массы). Данный параметр измеряется в %/⁰С, и составляет примерно 10 – 100 ppm/⁰C для устройств, представленных на рынке.
-
Нелинейность
Выходной сигнал должен линейно зависеть от измеряемого ускорения, но это применимо только к идеальной модели. В реальности механические части МЭМС устройств имеют ограничения. Например, подвижная часть закреплена на «пружинках», и перемещения не всегда идеально линейны относительно оси измерения. Измеряется в процентах от диапазона измерения. Типовые значения ±0,5%.
Современные акселерометры выпускаются в 1-, 2- и 3-х осевых вариантах, но чаще всего встречаются комбинированные инерциальные модули, содержащие 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп и иногда магнитный компас. Приборы в основном имеют интерфейсы I3C, I2C и SPI на борту.
