Kiihtyvyysanturi

Kiihtyvyysmittari on anturi , joka on kiinnitetty liikkuvan tai muuta esinettä, tekee mahdolliseksi mitata lineaarinen ei-painovoiman kiihtyvyys jälkimmäisen. Puhumme kiihtyvyysmittarista, vaikka itse asiassa kolme kiihtyvyysmittaria laskisi lineaariset kiihtyvyydet 3 kohtisuoran akselin mukaan.

Toisaalta, kun pyrimme havaitsemaan pyörimisen tai kulmanopeuden, puhumme gyrometristä . Yleisemmin puhumme inertiayksiköstä, kun pyrimme mittaamaan kaikkia kuutta kiihtyvyyttä.

Vaikka lineaarinen kiihtyvyys on määritelty yksikköinä m / s 2 ( SI ), suurin osa näiden antureiden dokumentaatioista ilmaisee kiihtyvyyden (kuten maan painovoiman aiheuttama) "g": nä (noin 9,81 m / s 2 ).

Anturi

Intuitiivinen lähestymistapa

Kiihtyvyysanturi voidaan kaaviota massa-jousijärjestelmällä . Tarkastellaan tätä kaaviota päinvastaisena: tasapainossa massan m sijainti x on referenssi, joten x = 0. Jos tuki kiihtyy pystysuorasti ylöspäin, tapahtuu kaksi asiaa: tämä tuki liikkuu toisaalta ylöspäin ja massan m inertian vuoksi tämä pyrkii pysymään lähtöasennossaan pakottaen jousen pakata toisaalta. Arvo x on sitä suurempi, mitä suurempi kiihtyvyys tukeen kohdistuu.

Voimme näyttää käyttämällä perusperiaate dynamiikka ei-vaimennetun järjestelmän (ja ottaen huomioon järjestelmän vaakasuoraan, niin että emme ota huomioon paino) :, jossa kiihtyvyys massa m ja x asemaa tuen ( suhteessa galilealaisen viitekehys ). $m {\ ddot {x}} + kx = 0$ ${\ ddot {x}}$

Näyttää selvästi, että tämä kiihtyvyys on verrannollinen x: ään . Mittaamalla yksinkertaisesti massan m siirtymä sen tuen suhteen, voidaan tietää jälkimmäisen suorittama kiihtyvyys.

Periaate

Useimpien kiihtyvyysmittareiden periaate perustuu dynamiikan peruslakiin :

F = m a

kanssa

F: voima (N),
m: massa (kg),
a: kiihtyvyys (m / s 2 ) huomasi myös y).

Tarkemmin sanottuna se koostuu anturin seismisen massan hitausvoiman ja tähän massaan kohdistetun palautusvoiman välisestä tasa-arvosta. Kiihtyvyysmittareita on kaksi pääperhettä: ei-servo-kiihtyvyysmittarit ja servokiihtyvyysmittarit.

Ei-orjakiihtyvyysanturit

Ei-orja-tyyppisissä antureissa (avoin silmukka) kiihtyvyys mitataan sen "suoralla" kuvalla: anturin seismisen massan (voimamassa tai jopa testimassa) siirtymä palautusvoiman ja sen voiman välisen tasa-arvon saavuttamiseksi. inertia.

Markkinoilla on muita kuin servo-kiihtyvyysmittareita, jotka löytyvät suoraan markkinoilta:

pietsosähköinen tunnistus
pietsoresistiivinen tunnistus
jossa kanta / kanta mittari (lähellä piezoresistive tyyppi, periaatteessa)
kapasitiivinen tunnistus
induktiivisella ilmaisulla (tai muuttuvalla vastahalkaisulla)
optinen tunnistus
värisevä säde
pinta-aalto

Vastaavasti on myös markkinoimattomia, kuten:

Hall-ilmiön havaitseminen
potentiometrin tunnistus
sähkömagneettinen tunnistus
pietso-optinen tunnistus
suora lukeminen
kanssa pyörivä heiluri

Pietsosähköiset kiihtyvyysmittarit

Tietyillä kiteillä ( kvartsi , Seignette-suola ) ja tietyillä keramiikoilla on ominaisuus varautua sähköisesti, kun ne altistuvat muodonmuutoksille. Päinvastoin, ne ovat muodonmuutoksia, jos ne ovat sähköisesti varautuneita, ilmiö on palautuva. Kide varautuu kahdella vastakkaisella puolella vastakkaisten varausten kanssa, kun se altistetaan näiden kahden pinnan välille kohdistetulle voimalle. Pintojen metallointi mahdollistaa sähköjännitteen keräämisen, jota voidaan käyttää piirissä.

Servo-ohjatut kiihtyvyysanturit

Servo-ohjattujen kiihtyvyysmittareiden kiihtyvyys mitataan takaisinkytkentäsilmukan (servo-ohjaus) ulostulosta, joka käsittää PI-tyyppisen korjaimen (Integral Proportional: tarkennusta parantavan korjaimen tyyppi). Siirtymän havaitsemisanturi (ei servo-ohjattu tyyppi) mahdollistaa välittömän kiihtyvyyden mittaamisen. Se on servosilmukan tuloarvo. Tämän silmukan ulostulossa kiihtyvyys saavutetaan lukemalla energia, joka tarvitaan palautusvoimaan, jotta seisminen massa voidaan palauttaa alkuperäiseen asentoonsa.

Vuonna inertiaalinen yksiköissä , sillä hakemuksen ohjauksessa , yleensä käytetään ilmailu- tai avaruusmatkojen , tällainen tekniikka on yleensä suositaan. Matkapuhelimilla on todellakin tietty massa ja niiden painopiste altistuu suhteellisen alhaisen taajuuden värähtelyille, luokkaa 0-10 Hz . Tämä mahdollistaa servo-ohjattavien antureiden käytön.

Ne luokitellaan niiden palautusvoiman mukaan, joka voi olla sähkömagneettista tai sähköstaattista tyyppiä. Tai riippuen niiden tunnistustyypistä, joka voi olla kapasitiivinen, induktiivinen tai optinen.

Kvanttikiihtyvyysanturi

Vuonna 2018 Imperial College London esitteli kvanttikiihtyvyysanturin . Järjestelmä perustuu atomien kiihtyvyyden aikana toimittamien kvanttiaaltojen ominaisuuksien mittaamiseen, mikä tekee mahdolliseksi päätellä siirtymä ja siten sijainti suhteessa aikaan. Toiminta on samanlainen kuin perinteisissä kiihtyvyysmittareissa, mutta on samalla paljon herkempi ja tarkempi.

Järjestelmä käyttää lasereita jäähdyttämään atomit erittäin mataliin lämpötiloihin, mikä vaatii tilaa.

Kiihtyvyysanturin pääparametrit

Anturien klassisten ominaisuuksien lisäksi kiihtyvyysanturia voidaan luonnehtia seuraavilla tiedoilla:

sen mittausalue ilmaistaan g = 9,806 65 m / s 2
sen anturin massa, hienous (vastaava oikea tekninen termi)
sen poikittainen herkkyys
sen akselien määrä (1-3 akselia)
sen mekaaninen rakenne
integroidun elektroniikan läsnäolo
sen hinta (vuonna 2007, 6 eurosta kapasiteettia antamattomaan kapasitiiviseen anturiin ja 3000 euroon huippuluokan orja-anturille)

Kaikki nämä ominaisuudet ovat vuorovaikutuksessa ja kuvaavat periaatetta, tekniikkaa tai valmistusprosessia.

Sen sovellukset

Tämän anturin sovellukset ovat hyvin erilaisia:

nopeuden mittaus (integroimalla)
siirtymämittaus (kaksoisintegraatiolla)
koneen diagnoosi (värähtelyanalyysillä)
vikojen havaitseminen materiaaleissa (mittaamalla tärinän leviäminen materiaalien läpi)

Ne luokitellaan kuitenkin yleensä kolmeen laajaan luokkaan:

Iskut
Värähtelykiihtyvyys
Mobiilikiihdytys

Iskut

Iskut ovat erittäin voimakkaan amplitudin kiihtyvyyksiä. Esimerkiksi esine, joka putoaa 20 cm : n korkeudesta 5 cm paksulle teräslevylle, altistuu törmäyksessä 8000 g : n kiihtyvyydelle , ja 50 sivun paksuiselle muistikirjalle kiihtyvyys on vain 90 g .

Nämä ovat hyvin lyhyitä kiihdytyksiä ja vaativat siksi kaistanleveysanturia, joka yleensä vaihtelee välillä 0 - 100 kHz .

Tarkkuutta vaaditaan näiden mittausten on suuruusluokkaa 1%: n mitta-asteikko anturin .

Tämän tyyppiseen sovellukseen yleisesti liittyvät anturit ovat hallitsemattomia siirtymän kiihtyvyysmittareita ja tarkemmin sanottuna:

pietsosähköinen tunnistus
pietsoresistiivinen tunnistus
kapasitiivinen tunnistus (vain turvatyynyille )

Esimerkkejä:

autojen turvatyynyjen laukaiseminen
törmäystestit
pyrotekniikka

Värähtelykiihtyvyys

Tärinänopeutuksia pidetään keskitason kiihtyvyyksinä (yleensä noin sata g). Ne edellyttävät anturia, jonka kaistanleveys on enintään 10 kHz ja tarkkuus noin 1% anturin mitta-asteikosta.

Käytetyt kiihtyvyysanturit, jotka eivät ole orjia, ovat:

pietsosähköinen tunnistus
pietsoresistiivisellä ilmaisulla tai venymäliuskalla
induktiivisella ilmaisulla (tai muuttuvalla vastahalkaisulla)

Esimerkkejä:

Tärinänhallinta tuotekehitykseen
teollisuuden valvonta

Mobiilikiihdytys

Mobiilikiihdytykset ovat vähäisiä. Esimerkiksi " Rafale " -laitteen suurin kiihtyvyys on 9 g . Nämä kiihdytykset eivät ylitä muutamia kymmeniä hertiä. Toisaalta vaadittu tarkkuus voi olla tärkeä. Se vaihtelee 0,01%: sta 2%: iin anturin mitta-asteikosta.

Käytetyt kiihtyvyysmittarit ovat:

kiihtyvyysanturit, joita ei ohjata servolla (mittarit, kondensaattorit, induktio, optiikka, potentiometri);
servo-ohjatut kiihtyvyysanturit.

Esimerkki:

lentokoneiden inertia-asemat
apu junan sijainnin dynaamiseen määrittämiseen radalla

Eristetyt sovellukset ja erikoistuotteet

Kallistusmittaus ( maapallon painovoiman ja kaksiakselisen kiihtyvyysmittarin ansiosta): Tietyt kiihtyvyysmittarit kapasitiivisella ilmaisulla heilurin seismisellä massalla mahdollistavat myös kaltevuusmittarin toiminnan . Jälkimmäisen mahdollistavat heilurin kapasitiivisten kiihtyvyysmittareiden mekaaninen kokoonpano ja maan painovoima. Kiihtyvyysmittarin toimintoa ei kuitenkaan voida käyttää samanaikaisesti.

Kiihtyvyysanturi ja uutiset

MEMS- kiihtyvyysmittarien kehitysvaiheesta , vuodesta 1975 vuoteen 1985, kiihtyvyysmittarin käyttö on noussut "nousuun". Itse asiassa se nousi 24 miljoonan myynnistä vuonna 1996 90 miljoonaan vuonna 2002. Hintansa osalta se laski edelleen MEMS: n osalta . NEMS- kiihtyvyysmittareiden äskettäisen saapumisen myötä kiihtyvyysmittarin kaikkialla esiintyminen erilaisissa "kuluttajatuotteissa" on yhä ajankohtaisempaa.

"Suurelle yleisölle" tarkoitetut tuotteet kiihtyvyysanturia käyttäen

Kuuden kiihtyvyyden omaavat yksiköt, kuten iPhone 4: ssä, kuluttavat enemmän energiaa ja ovat usein vähemmän herkkiä kuin yksikkö, joka on alennettu 3 lineaariseen kiihtyvyysmittariin, kuten monissa matkapuhelimissa, mukaan lukien iPhone 3GS , tai jopa 2 yhtä pelikonsolia, kuten WII , tai jopa yhden ulottuvuuden kiintolevyn pysäyttämiseksi kannettavan tietokoneen putoamisen yhteydessä ( ThinkPad ).

Urheilukelloissa:

Nike , Polar ja muut käyttävät kiihtyvyysmittareita ajonopeuden ja matkan määrittämiseen.

Urheilu- tai jokapäiväisen eleen mittaamiseen:

Myotest käyttää kiihtyvyysanturia lihasten suorituskyvyn mittaamiseen. Se laskee eleen voiman, voiman ja nopeuden, mutta myös hypyn korkeuden, kosketusajan tai väsymiskestävyyden.

Kameroissa ja kameroissa:

kiihtyvyysantureita käytetään kuvanvakautukseen, epätarkkuuteen jne.

Erittäin kannettavissa, PDA-laitteissa jne. :

kiihtyvyysmittareita käytetään näytön suuntaamiseen.

Matkapuhelimella:

kiihtyvyysantureita käytetään putoamisen (voimakas kiihtyvyys) havaitsemiseen ja kiintolevyn pysäyttämiseen. Tämä oli ensimmäinen äskettäin käytetty kiihtyvyysmittari ( Apple sen MacBook Pros -ohjelmassa ), sovellus, joka kaapattiin nopeasti ja tuli tunnetuksi, mikä johti kiihtyvyysmittarin sisällyttämiseen saman Applen iPhoneen ja sitten tämän komponentin yleistämiseen.

Videopeleissä:

Nintendo on päättänyt innovoida julkaisemalla uuden sukupolven ohjaimen Wii- konsolilleen . Tämä havaitsee pelaajan liikkeet suoraan kiihtyvyysmittareiden avulla, jotka on sijoitettu ohjaimen 2 osaan: Wiimoteen ja Nunchuckiin . Lisäksi 3DS- kannettava konsoli sisältää kiihtyvyysanturin ja gyroskoopin. Kytkimen Joycons sisältää kiihtyvyysanturin ja gyroskoopin.
Sony toisaalta, käyttää eri teknologian Sixaxis ohjaimeen sen PlayStation 3 , lisäksi PlayStation Move integroi kiihtyvyysantureita ja gyrometriltä .

Puhelintoiminnassa: Teknologioiden lähentymisen vuoksi kiihtyvyysmittareita käytetään yhdistämään suurin osa yllä kuvatuista toiminnoista.

Sony Ericsson käyttää kiihtyvyysanturia malleissa C902, C905, C510, K850i, W710, W580i, W595, W910i, W980i ja W995.
HTC käyttää kiihtyvyysmittarilla Touch Diamond, Touch HD, Touch Pro2, HD2 , Desire / Desire HD ja sen Android -puhelimissa .
Apple on käyttänyt kiihtyvyysanturia iPhonessa , iPod touchissa ja iPod nanossa sekä koko kannettavien tietokoneidensa vuodesta 2005 lähtien.
Nokia käyttää kiihtyvyysanturia malleissa N95 , N82, N70, 6600, 5530 Xpressmusic, 5800 Xpressmusic, N900 Roverle, N97 ja N8.
Samsung käyttää kiihtyvyysanturia Samsung Player Addictissa, Samsung Galaxy, Samsung Galaxy Spica, Samsung Galaxy Teos, Samsung Galaxy S, S2 ja S3, Samsung Player Star, Samsung Player 5, Samsung Player Pixon, Samsung Wave ja Samsung Player One.
Neo FreeRunner on kaksi kiihtyvyyttä.

Kuljetusajoneuvoissa:

Turvatyyny : Kiihtyvyysantureita käytetään turvatyynyjärjestelmissä . He mittaavat jatkuvasti ajoneuvon kiihtyvyyttä ja vertaavat sitä törmäystestimittauksiin. Heti kun törmäyspulssin signaali on tunnistettu, elektroninen ohjausyksikkö lähettää käskyn vapauttaa turvatyynyä täyttävä kaasu.

Huomautuksia ja viitteitä

Ranskankielisen valtionkassan "kiihtyvyysmittarin" leksikografiset ja etymologiset määritelmät kansallisten teksti- ja leksikaalisten resurssien keskuksen verkkosivuilla
periaate pietsosähköisen kiihtyvyysanturin , on brouchier.com päällä, kuullaan 18. syyskuuta, 2013
https://www.journaldugeek.com/2018/11/13/accelerometre-quantique-gps-panne/
Wii-ohjainta koskeva ilmoitus ST Microelectronics -sivustolla
(in) Esittelyssä Nintendo 3DS -järjestelmä , Nintendo E3 Network15. kesäkuuta 2010.
" Tekniset tiedot - Nintendo Switch ™: n virallinen sivusto - konsolimääritykset " osoitteessa www.nintendo.com (käytetty 4. tammikuuta 2018 )

Toimii

Georges Asch, anturit teollisuuslaitteissa , Dunod ( ISBN 978-2-10-005777-1 )
Insinöörin tekniikat (tekninen tietosanakirja)

Arvostelu

Toimenpiteet , n ° 746, osto-opas, artikkeli Marie-Line Zani,Kesäkuu 2002.