Акселерометры играют ключевую роль во множестве применений, от автомобильных систем безопасности до аэрокосмических. Эти устройства измеряют силу ускорения, позволяя обнаруживать движение, наклон, вибрацию и удары. Когда дело доходит до выбора акселерометра для конкретного применения, одним из основополагающих решений является выбор в пользу MEMS (микроэлектромеханических систем) акселерометра или кварцевого акселерометра. Каждый тип имеет свой собственный набор характеристик, преимуществ и ограничений, что делает выбор решающим в зависимости от требований предполагаемого применения.
1.MEMS-акселерометры: миниатюрные источники современной сенсорной информации
MEMS-акселерометры произвели революцию в области измерения движения благодаря своим компактным размерам, низкой стоимости и низкому энергопотреблению. Эти устройства изготавливаются с использованием технологий микропроизводства, позволяющих интегрировать миниатюрные механические структуры и электронику на одном кремниевом чипе. MEMS-акселерометры обычно состоят из массы, подвешенной на гибких балках или пружинах, с емкостными или пьезорезистивными чувствительными элементами для определения отклонения, вызванного ускорением.
Одним из основных преимуществ MEMS-акселерометров является их небольшой форм-фактор, что делает их идеальными для приложений, где размер и вес являются критическими факторами, таких как бытовая электроника, мобильные устройства и приложения Интернета вещей (IoT). Кроме того, MEMS-акселерометры обладают высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, что позволяет им точно определять как малые, так и большие ускорения.
Рис.1. Датчики в транспортных средствах
Кроме того, MEMS-акселерометры часто оснащаются встроенным формирователем сигнала и цифровыми интерфейсами, что упрощает интеграцию в электронные системы и сокращает количество внешних компонентов. Такая интеграция обеспечивает бесперебойную связь с микроконтроллерами или цифровыми сигнальными процессорами (DSP), позволяя обрабатывать данные об ускорении в режиме реального времени для различных приложений, включая распознавание жестов, навигацию и системы контроля устойчивости транспортных средств.
Однако у MEMS-акселерометров есть некоторые ограничения. Они могут демонстрировать более высокий уровень шума и более низкую точность по сравнению с более традиционными сенсорными технологиями, такими как кварцевые акселерометры, особенно в высокоточных приложениях, требующих точного измерения силы ускорения.
2.Кварцевые акселерометры: точность и стабильность для сложных применений
Кварцевые акселерометры, также известные как акселерометры с силовым балансом, используют пьезоэлектрические свойства кристаллов кварца для измерения ускорения. Эти устройства работают на основе принципа второго закона движения Ньютона, согласно которому сила, действующая на пробную массу, уравновешивается силой, возникающей при деформации кристалла кварца.
Кварцевые акселерометры славятся своей исключительной точностью, стабильностью и надежностью, что делает их предпочтительным выбором для высокоточных применений, таких как аэрокосмическая промышленность, оборона, сейсмический мониторинг и инерциальные навигационные системы. В отличие от MEMS-акселерометров, кварцевые акселерометры обеспечивают чрезвычайно низкий уровень шума и высокое разрешение, что позволяет точно измерять ускорение вплоть до минутных значений.
Кроме того, кварцевые акселерометры обладают превосходной температурной стабильностью и устойчивостью к ударам и вибрации по сравнению с аналогами MEMS, что делает их пригодными для эксплуатации в суровых условиях, где условия окружающей среды могут значительно различаться.
Рис.2. Динамика полета
Несмотря на непревзойденную производительность, кварцевые акселерометры обладают определенными недостатками, в первую очередь связанными с их размерами, весом и стоимостью. Эти устройства, как правило, крупнее и тяжелее MEMS-акселерометров, что может ограничить их применимость в условиях ограниченного пространства или в приложениях, чувствительных к весу. Кроме того, кварцевые акселерометры, как правило, потребляют больше энергии, что может быть проблемой в системах с батарейным питанием или приложениях, требующих длительной работы.
3.Правильный выбор акселерометра для вашего приложения
При принятии решения о выборе между MEMS-акселерометром и кварцевым акселерометром важно учитывать конкретные требования и ограничения предполагаемого применения. Вот несколько ключевых факторов, которые следует учитывать:
Требования к производительности: Оцените желаемый уровень точности, чувствительности, динамического диапазона и стабильности, необходимые для вашего приложения. Для высокоточных приложений может потребоваться использование кварцевых акселерометров, в то время как MEMS-акселерометров может быть достаточно для менее требовательных приложений.
Условия окружающей среды: Учитывайте условия эксплуатации, включая экстремальные температуры, удары и вибрацию. Кварцевые акселерометры лучше подходят для работы в суровых условиях, в то время как MEMS-акселерометры могут быть более подходящими для использования внутри помещений или в менее сложных наружных условиях.
Ограничения по размеру и весу: Оцените доступное пространство и весовые ограничения приложения. MEMS-акселерометры представляют собой компактное и легкое решение, что делает их подходящими для портативных устройств и устройств с ограниченным пространством.
Рис.3. Кварцевый акселерометр и MEMS-акселерометр
Соображения стоимости: Учитывайте бюджетные ограничения и чувствительность проекта к затратам. MEMS-акселерометры, как правило, более экономичны, чем кварцевые акселерометры, что делает их предпочтительным выбором для приложений с ограниченными бюджетными возможностями.
4.Краткое содержание
В заключение следует отметить, что выбор между MEMS- и кварцевыми акселерометрами в конечном счете зависит от тщательного учета требований к производительности, условий окружающей среды, ограничений по размеру и весу, а также соображений стоимости. Понимая сильные стороны и ограничения каждого типа акселерометра, инженеры и дизайнеры могут принимать обоснованные решения, обеспечивающие оптимальный выбор в соответствии с их конкретными потребностями применения.
Ericco предлагает не только высокоточные кварцевые акселерометры, такие как ER-QA-01A3, со стабильностью смещения 10 мкг, повторяемостью масштабного коэффициента 10 частей на миллион и весом 80 г, которые могут широко использоваться в системах измерения микрогравитации на авианосцах, инерциальных навигационных системах, и статические системы измерения углов. Компания также предлагает экономичные MEMS-системы, такие как акселерометр ER-MA-5, который отличается небольшими размерами, легкой конструкцией, низким энергопотреблением и, таким образом, универсальностью в автомобильной промышленности.