加速度計的幻想與現實

作為應用工程師為ADI的緊湊、低成本、重力敏感型提供支持我微機電加速度計?，我們可以聽到很多關于如何以有用的方式使用加速度計的創意，但有時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行了評估，從真實到夢想之地：

Real – 一個真正的應用程序，今天實際工作，目前正在生產中。

幻想 – 如果我們擁有更好的技術，該應用程序是可能的。

夢想之地 – 我們能想到的任何實際實現都會違反物理定律。

洗衣機負載平衡。高速旋轉循環過程中的不平衡負載會導致洗衣機晃動，如果不加以約束，它們甚至可以在地板上“行走”。加速度計在自旋周期中感應加速度。如果存在不平衡，洗衣機會通過來回點動滾筒來重新分配負載，直到負載平衡。

真正。有了更好的負載平衡，更快的旋轉速率可用于從衣服中榨出更多的水，使干燥過程更加節能——這在當今是一件好事！另一個好處是，阻尼滾筒運動所需的機械部件更少，使整個系統更輕、更便宜。正確實施后，由于電機上的峰值負載較低，變速箱和軸承的使用壽命得以延長。此應用程序正在生產中。

計算機運行狀況監視器。許多行業使用基于日歷的預防性維護計劃來更換或檢修機械設備。在不能容忍計劃外停機時間的應用程序中尤其如此。因此，在許多行業中，剩余使用壽命較長的機器通常會過早地重建，成本高達數百萬美元。通過在軸承或其他旋轉設備中嵌入加速度計，可以延長使用壽命，而不會有突然故障的風險。加速度計感應軸承或其他旋轉設備的振動以確定其狀況。

真正。 使用軸承的振動“特征”來確定其狀況是一種經過充分驗證且行業公認的設備維護方法，但需要寬測量帶寬才能獲得準確的結果。在ADXL001發布之前，加速度計和相關信號調理設備的成本太高?，F在，其寬帶寬（22 kHz）和內部信號調理使ADXL001成為低成本軸承維護的理想選擇。

自動調平。加速度計測量物體的絕對傾角，例如大型機器或移動房屋。微控制器使用傾斜信息自動調平物體。

真實到幻想（取決于應用程序）。自調平是一項非?？量痰膽?，因為需要絕對的精度。表面微加工加速度計具有令人印象深刻的分辨率，但高精度（優于1°傾斜度）的絕對傾斜測量需要溫度穩定性和遲滯性能，而當今的表面微加工加速度計無法達到。在溫度范圍適中的應用中，像ADXL203這樣的高穩定性加速度計可以勝任這項任務。在很寬的溫度范圍內，也可以處理要求絕對精度在±5°以內的應用。然而，在很寬的溫度范圍內實現更精確的調平需要外部溫度補償。即使使用外部溫度補償，也很難實現優于±0.5°傾斜度的絕對精度。某些應用程序目前正在生產中。

手機人機界面。加速度計允許微控制器識別用戶手勢，從而實現對移動設備的單手控制。

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

汽車報警器。 加速度計感應到汽車是被頂起還是被拖車接走，并觸發警報。

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。傳統的汽車報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，點火禁用系統無效。本應用利用了ADXL213的高分辨率功能。如果加速度計測量的傾角變化超過每分鐘 0.5°，就會發出警報——希望能嚇跑潛在的小偷。由于沒有人希望汽車警報器因天氣變化而響起，因此需要良好的溫度穩定性，因此高度穩定的ADXL213是理想的選擇。此應用目前在OEM和售后市場的汽車防盜系統中生產。

滑雪固定器。 加速度計測量總沖擊能量和特征，以確定綁定是否應釋放。

幻想。 機械滑雪板固定器高度發展，但性能有限。測量滑雪者所經歷的實際沖擊將準確地確定綁帶是否應該釋放。智能系統可以考慮每個人的能力和生理機能。這是一個實用的加速度計應用，但目前的電池技術使其不切實際。在低溫下表現良好的小型輕質電池最終將使這種應用成為可能。

個人導航。在此應用中，位置通過航位推算確定（加速度隨時間的雙重積分以確定實際位置）。

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

當 GPS 信號短暫不可用時，加速度計可以與 GPS 導航系統一起使用。較短的積分周期（一分鐘左右）可以提供令人滿意的結果，而聰明的算法可以使用替代方法提供良好的準確性。例如，走路時，身體每走一步都會上下移動。加速度計可用于制造非常精確的計步器，可以將步行距離測量到±1%以內。

低音炮伺服控制。安裝在低音炮錐體上的加速度計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聲器/外殼系統的Q值，從而可以使用較小的外殼，如Richard A. Greiner和Travis M. Sims，Jr.的揚聲器失真減少中所述，JAES Vol. 32，No. 12。ADXL193體積小，重量輕;它的質量加上揚聲器錐體的質量，不會顯著改變整體聲學特性。

神經肌肉刺激器。此應用程序通過在適當的時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，前腳掌通常在向前移動腿時抬起，然后在向后推腿時降低。加速度計戴在小腿或腳的某個地方，在那里它感測腿的位置。然后通過電子刺激適當的肌肉以根據需要彎曲腳。

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

汽車噪音消除。加速度計感應乘客艙內的低頻振動;降噪系統使用立體聲系統中的揚聲器將其歸零。

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

結論

由于其高靈敏度、小尺寸、低成本、堅固的封裝以及測量靜態和動態加速度力的能力，表面微加工加速度計使許多新的應用成為可能。其中許多沒有被預料到，因為它們不被認為是經典的加速度計應用。設計師的想象力現在似乎是潛在應用范圍的限制因素，但有時設計師會變得過于富有想象力！雖然性能改進繼續支持更多應用程序，但明智的做法是盡量遠離違反物理定律的“解決方案”。

審核編輯：郭婷