加速度計(jì)的幻想與現(xiàn)實(shí)

作為應(yīng)用工程師為ADI的緊湊、低成本、重力敏感型提供支持我微機(jī)電加速度計(jì)?，我們可以聽到很多關(guān)于如何以有用的方式使用加速度計(jì)的創(chuàng)意，但有時(shí)這些建議違反了物理定律！我們以非正式的尺度對其中一些想法進(jìn)行了評估，從真實(shí)到夢想之地：

Real – 一個(gè)真正的應(yīng)用程序，今天實(shí)際工作，目前正在生產(chǎn)中。

幻想 – 如果我們擁有更好的技術(shù)，該應(yīng)用程序是可能的。

夢想之地 – 我們能想到的任何實(shí)際實(shí)現(xiàn)都會(huì)違反物理定律。

洗衣機(jī)負(fù)載平衡。高速旋轉(zhuǎn)循環(huán)過程中的不平衡負(fù)載會(huì)導(dǎo)致洗衣機(jī)晃動(dòng)，如果不加以約束，它們甚至可以在地板上“行走”。加速度計(jì)在自旋周期中感應(yīng)加速度。如果存在不平衡，洗衣機(jī)會(huì)通過來回點(diǎn)動(dòng)滾筒來重新分配負(fù)載，直到負(fù)載平衡。

真正。有了更好的負(fù)載平衡，更快的旋轉(zhuǎn)速率可用于從衣服中榨出更多的水，使干燥過程更加節(jié)能——這在當(dāng)今是一件好事！另一個(gè)好處是，阻尼滾筒運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械部件更少，使整個(gè)系統(tǒng)更輕、更便宜。正確實(shí)施后，由于電機(jī)上的峰值負(fù)載較低，變速箱和軸承的使用壽命得以延長。此應(yīng)用程序正在生產(chǎn)中。

計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀況監(jiān)視器。許多行業(yè)使用基于日歷的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃來更換或檢修機(jī)械設(shè)備。在不能容忍計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間的應(yīng)用程序中尤其如此。因此，在許多行業(yè)中，剩余使用壽命較長的機(jī)器通常會(huì)過早地重建，成本高達(dá)數(shù)百萬美元。通過在軸承或其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備中嵌入加速度計(jì)，可以延長使用壽命，而不會(huì)有突然故障的風(fēng)險(xiǎn)。加速度計(jì)感應(yīng)軸承或其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)以確定其狀況。

真正。 使用軸承的振動(dòng)“特征”來確定其狀況是一種經(jīng)過充分驗(yàn)證且行業(yè)公認(rèn)的設(shè)備維護(hù)方法，但需要寬測量帶寬才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。在ADXL001發(fā)布之前，加速度計(jì)和相關(guān)信號調(diào)理設(shè)備的成本太高。現(xiàn)在，其寬帶寬（22 kHz）和內(nèi)部信號調(diào)理使ADXL001成為低成本軸承維護(hù)的理想選擇。

自動(dòng)調(diào)平。加速度計(jì)測量物體的絕對傾角，例如大型機(jī)器或移動(dòng)房屋。微控制器使用傾斜信息自動(dòng)調(diào)平物體。

真實(shí)到幻想（取決于應(yīng)用程序）。自調(diào)平是一項(xiàng)非?？量痰膽?yīng)用，因?yàn)樾枰^對的精度。表面微加工加速度計(jì)具有令人印象深刻的分辨率，但高精度（優(yōu)于1°傾斜度）的絕對傾斜測量需要溫度穩(wěn)定性和遲滯性能，而當(dāng)今的表面微加工加速度計(jì)無法達(dá)到。在溫度范圍適中的應(yīng)用中，像ADXL203這樣的高穩(wěn)定性加速度計(jì)可以勝任這項(xiàng)任務(wù)。在很寬的溫度范圍內(nèi)，也可以處理要求絕對精度在±5°以內(nèi)的應(yīng)用。然而，在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更精確的調(diào)平需要外部溫度補(bǔ)償。即使使用外部溫度補(bǔ)償，也很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±0.5°傾斜度的絕對精度。某些應(yīng)用程序目前正在生產(chǎn)中。

手機(jī)人機(jī)界面。加速度計(jì)允許微控制器識別用戶手勢，從而實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)設(shè)備的單手控制。

真正。手機(jī)屏幕占用了大部分可用的控制空間。將加速度計(jì)用于用戶界面功能允許手機(jī)制造商添加“無按鈕”功能，例如點(diǎn)擊/雙擊（模擬鼠標(biāo)單擊/雙擊）、屏幕旋轉(zhuǎn)、傾斜控制滾動(dòng)和基于方向的鈴聲控制，僅舉幾例。此外，手機(jī)制造商可以使用加速度計(jì)來提高導(dǎo)航功能的準(zhǔn)確性和可用性，以及其他新應(yīng)用。此應(yīng)用程序目前正在生產(chǎn)中。

汽車報(bào)警器。 加速度計(jì)感應(yīng)到汽車是被頂起還是被拖車接走，并觸發(fā)警報(bào)。

真正。最流行的汽車盜竊方法之一是簡單地將汽車拖走來偷車。傳統(tǒng)的汽車報(bào)警器無法防止這種情況。沖擊傳感器無法測量傾斜度的變化，點(diǎn)火禁用系統(tǒng)無效。本應(yīng)用利用了ADXL213的高分辨率功能。如果加速度計(jì)測量的傾角變化超過每分鐘 0.5°，就會(huì)發(fā)出警報(bào)——希望能嚇跑潛在的小偷。由于沒有人希望汽車警報(bào)器因天氣變化而響起，因此需要良好的溫度穩(wěn)定性，因此高度穩(wěn)定的ADXL213是理想的選擇。此應(yīng)用目前在OEM和售后市場的汽車防盜系統(tǒng)中生產(chǎn)。

滑雪固定器。 加速度計(jì)測量總沖擊能量和特征，以確定綁定是否應(yīng)釋放。

幻想。 機(jī)械滑雪板固定器高度發(fā)展，但性能有限。測量滑雪者所經(jīng)歷的實(shí)際沖擊將準(zhǔn)確地確定綁帶是否應(yīng)該釋放。智能系統(tǒng)可以考慮每個(gè)人的能力和生理機(jī)能。這是一個(gè)實(shí)用的加速度計(jì)應(yīng)用，但目前的電池技術(shù)使其不切實(shí)際。在低溫下表現(xiàn)良好的小型輕質(zhì)電池最終將使這種應(yīng)用成為可能。

個(gè)人導(dǎo)航。在此應(yīng)用中，位置通過航位推算確定（加速度隨時(shí)間的雙重積分以確定實(shí)際位置）。

夢幻之地。 由于測量加速度中累積的小誤差，長期積分會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。雙重積分加劇了誤差（t2).如果沒有某種不時(shí)重置實(shí)際位置的方法，會(huì)導(dǎo)致巨大的錯(cuò)誤。這類似于通過在運(yùn)算放大器上放置一個(gè)電容來構(gòu)建積分器。即使加速度計(jì)的精度可以比目前可用的精度提高十倍或一百倍，最終仍然會(huì)導(dǎo)致巨大的誤差。它們只是需要更長的時(shí)間才能發(fā)生。

當(dāng) GPS 信號短暫不可用時(shí)，加速度計(jì)可以與 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)一起使用。較短的積分周期（一分鐘左右）可以提供令人滿意的結(jié)果，而聰明的算法可以使用替代方法提供良好的準(zhǔn)確性。例如，走路時(shí)，身體每走一步都會(huì)上下移動(dòng)。加速度計(jì)可用于制造非常精確的計(jì)步器，可以將步行距離測量到±1%以內(nèi)。

低音炮伺服控制。安裝在低音炮錐體上的加速度計(jì)提供位置反饋以伺服輸出失真。

真正。目前市場上有幾種具有伺服控制的有源低音炮。伺服控制可以大大減少諧波失真和功率壓縮。伺服控制還可以以電子方式降低揚(yáng)聲器/外殼系統(tǒng)的Q值，從而可以使用較小的外殼，如Richard A. Greiner和Travis M. Sims，Jr.的揚(yáng)聲器失真減少中所述，JAES Vol. 32，No. 12。ADXL193體積小，重量輕;它的質(zhì)量加上揚(yáng)聲器錐體的質(zhì)量，不會(huì)顯著改變整體聲學(xué)特性。

神經(jīng)肌肉刺激器。此應(yīng)用程序通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間刺激肌肉來幫助失去小腿肌肉控制的人走路。

真正。走路時(shí)，前腳掌通常在向前移動(dòng)腿時(shí)抬起，然后在向后推腿時(shí)降低。加速度計(jì)戴在小腿或腳的某個(gè)地方，在那里它感測腿的位置。然后通過電子刺激適當(dāng)?shù)募∪庖愿鶕?jù)需要彎曲腳。

這是微機(jī)械加速度計(jì)如何使產(chǎn)品可行的經(jīng)典例子。早期型號使用液體傾斜傳感器或移動(dòng)滾珠軸承（充當(dāng)開關(guān)）來確定支腿位置。液體傾斜傳感器由于液體晃動(dòng)而出現(xiàn)問題，因此只能緩慢行走。在山上行走時(shí)，滾珠軸承開關(guān)很容易混淆。加速度計(jì)測量腿后和腿向前之間的差異，因此山坡不會(huì)欺騙系統(tǒng)，并且不存在液體晃動(dòng)問題。加速度計(jì)的低功耗使系統(tǒng)能夠使用小型鋰電池工作，使整體封裝不顯眼。此應(yīng)用程序正在生產(chǎn)中。

汽車噪音消除。加速度計(jì)感應(yīng)乘客艙內(nèi)的低頻振動(dòng);降噪系統(tǒng)使用立體聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器將其歸零。

夢幻之地。雖然加速度計(jì)可以毫不費(fèi)力地拾取乘客艙內(nèi)的振動(dòng)，但降噪是高度依賴于相位的。雖然我們可以在一個(gè)位置（例如駕駛員頭部周圍）消除噪音，但在其他位置可能會(huì)增加噪音。

結(jié)論

由于其高靈敏度、小尺寸、低成本、堅(jiān)固的封裝以及測量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度力的能力，表面微加工加速度計(jì)使許多新的應(yīng)用成為可能。其中許多沒有被預(yù)料到，因?yàn)樗鼈儾槐徽J(rèn)為是經(jīng)典的加速度計(jì)應(yīng)用。設(shè)計(jì)師的想象力現(xiàn)在似乎是潛在應(yīng)用范圍的限制因素，但有時(shí)設(shè)計(jì)師會(huì)變得過于富有想象力！雖然性能改進(jìn)繼續(xù)支持更多應(yīng)用程序，但明智的做法是盡量遠(yuǎn)離違反物理定律的“解決方案”。

審核編輯：郭婷