Что такое датчик ускорения в автомобиле

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики ускорения (акселерометры)

В некоторых автомобильных ЭСАУ для фиксации величины ускорений требуются соответствующие датчики, которые обычно называют акселерометрами. Акселерометры используются в системах безопасности, навигационных системах, активной подвеске.
Пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры создаются на основе твердотельных материалов, которые обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям.

Пьезоэлектрические акселерометры

Такой тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, благодаря точности данных, надежности и простые конструкции (рис. 1, а). Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g, они имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении с термокомпенсацией. Их погрешность составляет 0,5% при температурах -40. + 110 ˚С.

Рис. 1.
а) Принципиальная конструкция акселерометра;
б) Высокочастотный сигнал пьезодатчика;
в) Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического акселерометра

При деформации (сжатии) пьезокристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Рабочий диапазон частоты 5. 100000 Гц. Для обработки сигнала от подобных пьезоэлектрических датчиков используется электронный усилитель-формирователь (рис. 1, в). Акселерометры подушек безопасности автомобиля

Эти акселерометры являются механическими датчиками инерционного типа. Такие датчики обычно располагаются не дальше 40 см от предполагаемого места удара. Обычно используются 3. 5 датчиков.

Конкретное исполнение инерционных датчиков может отличаться у разных производителей системы безопасности, но все они работают по одному и тому же принципу.
В обычных условиях движения автомобиля выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15. 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 15. 30 км/ч. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности.

Рис. 2. Акселерометр с постоянным магнитом

Самыми распространенными механическими акселерометрами являются акселерометры с постоянным магнитом. Эта механическая конструкция (рис. 2) состоит из чувствительной массы (металлического шара), которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом.
Выходные электрические контакты датчика всегда разомкнуты, и при столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар двигается по цилиндру и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

В таких датчиках различные конструктивные параметры его элементов, например, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и др., увязываются с динамикой конкретного автомобиля при ударе. При этом учитывается вес автомобиля, конструкция корпуса, места расположения датчиков.

Специальные акселерометры

Их чувствительность к ударному ускорению выше, чем у механических, из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50 g.
Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорезистивные или емкостные с погрешностью менее 5% и частотным диапазоном 0. 750 Гц.
Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса, их рабочий диапазон ±2 g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0. 10 Гц.

В системах стабилизации движения автомобиля использовались акселерометры (рис. 3) для определения поперечных значений ускорения.
Подобные датчики также используются в системах полного привода с подключаемой муфтой в качестве датчиков продольного ускорения автомобиля. Преобразователем является датчик Холла 4, выходное напряжение которого зависит от величины отклонения чувствительного элемента – постоянного магнита 3, подвешенного на пруженной пластине 2 под действием ускорения.
Корпус 1 датчика выполняет роль магнитного демпфера.

Рис. 3. Датчик поперечного (продольного) ускорения автомобиля

Емкостные акселерометры

Емкостной датчик поперечного ускорения (рис. 4) представляет собой несколько последовательно соединенных конденсаторных пластин.
В корпусе 1 на подвеске 4 установлена подвижная конденсаторная пластина 3 с сейсмической массой (грузом), перемещающаяся при воздействии поперечных ускорений а.
Еще две конденсаторные пластины 2 неподвижны и установлены так, что образуется два последовательно соединенных конденсатора K1 и K2.
С помощью контактных площадок 5 датчик подключается к ЭБУ.

При отсутствии ускорения измеренные емкости С1 и С2 обоих конденсаторов равны по величине.
При возникновении поперечного ускорения массивная подвижная пластина под действием силы инерции смещается относительно неподвижных пластин встречно ускорению. При этом изменяются расстояния между пластинами и емкость каждого из конденсаторов, например, в конденсаторе K1 расстояние между пластинами увеличивается, емкость С1 уменьшается; в конденсаторе K22 расстояние между пластинами уменьшается, емкость С2 увеличивается.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Датчики ускорения и вибрации

Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для вклю­чения системы пассивной защиты автомо­биля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля по­перечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики ускорения

Все датчики ускорения измеряют силы, воз­действующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и ме­ханического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых уско­рений. Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эк­вивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким тем­пературам). Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемеще­ния того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

Все датчики ускорения крепятся через пру­жины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Иными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в ста­тическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

где с — постоянная пружины.

Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:

Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или по­стоянной пружины) дают высокую чувстви­тельность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и ди­намического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:

Эти компоненты пропорциональны логиче­ским выводам в отношении времени пере­мещения х (р — коэффициент трения). По­лучающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно ма­лым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:

ω₀ = √ c/m

Таким образом, чув­ствительность измерения S напрямую свя­зана с резонансной частотой ω₀:

S·ω₀ 2 = 1

Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чув­ствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональ­ность между измеренной переменной и ам­плитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.

В случае чисто амплитудных систем не­обходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвра­щения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормали­зовать, то получим стандар­тизированный коэффициент амортизации D.

D = (p/2·c)·ω₀ =p/(2· √ c·m)

Этот коэффициент амортизации в значитель­ной степени определяет переходную и резо­нансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициен­тами амортизации D > √ 2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1. Для достижения как можно более широкой полосы пропуска­ния на практике обычно используют компро­миссные значения D = 0,5-0,7.

Применение датчиков ускорения

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах ава­рийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опро­кидывания автомобиля (рис. «Пьезоэлектрический датчик» ). Их инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).

Чувствительный элемент датчика располо­жен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его по­мещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнитель­ный активирующий электрод упрощает про­верку датчика (бортовая диагностика).

Продольные элементы используются в каче­стве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания. С их по­мощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц). Некапсулирован­ное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обна­ружения детонации почти исключительно ис­пользуются более современные поверхностно- микромеханические датчики.

Емкостные кремниевые датчики ускорения

Первое поколение микромеханических дат­чиков основывалось на анизотропии и се­лективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).

Емкостные датчики оказались особенно эф­фективны при высокоточных измерениях от­клонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противополож­ными электродами выше и ниже подпружи­ненной инерционной массы. Создается трех­слойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаян­ной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой темпера­турной чувствительностью. В существующих конструкциях для непосредственного соеди­нения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду раз­ного теплового расширения у различных ком­понентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений. Использу­ется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.

Датчики этого типа в основном исполь­зуются для определения ускорений низкого уровня ( Эта статья размещена в главе Автомобильная электроника и называется Датчики ускорения и вибрации. Добавьте в закладки ссылку.

Источник

Как это работает? | Акселерометр

Акселерометр — это датчик для измерения ускорения. Он был изобретен в конце 19 века и предназначался для установки в автомобилях и паровозах для контроля за скоростью. Первые акселерометры были тяжелыми и громоздкими. Они основывались на использовании инерционной силы, движущейся с ускорением массы, и представляли собой маятник со спиральной пружиной. При ускорении или замедлении корпуса грузик стремился сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. Одна из пружин при этом сжималась, а маятник совершал перемещение. Величина этого перемещения и определялась акселерометром для вычисления ускорения. Как же работает современный акселерометр, используемый в смартфонах, — об этом в сегодняшнем выпуске!

Впервые акселерометр был установлен в мобильный телефон Nokia 5500, благодаря чему его можно было использовать как шагомер. В силу конструктивных особенностей мобильных устройств использовать традиционный акселерометр с маятником невозможно. Поэтому он заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.

В смартфонах акселерометр чаще всего используется для автоматической смены ориентации экрана при повороте устройства. Также он нашел свое применение в системных жестах (таких как встряхивание), играх и навигационных приложениях, а также трекерах активности.

Источник

Акселерометр — что это и для чего? Узнайте все о том, как работает акселерометр

Вы когда-нибудь задумывались, как случается, что умные часы начинают светиться, когда вы поднимаете руку, или ваш смартфон автоматически настраивает изображение, когда вы поворачиваете его из вертикального положения в горизонтальное? За все это отвечает акселерометр. Что это такое и как работает? Объясняем!

Для чего нужен акселерометр?

Развитие технологий означает, что от электроники ожидается все больше и больше. Телефон больше не предназначен только для звонков, часы — для отсчета времени, а камера — для фотосъемки. Повседневные устройства оснащены новейшими решениями, гарантирующими многофункциональность этих устройств. Кроме того, производители по-прежнему ищут новые технологии, которые выделят их продукт.

В последних моделях вы найдете, например, датчик интенсивности света, датчик движения, датчик приближения, GPS и акселерометр. Для чего нужен акселерометр? Его задача — измерение линейного и углового ускорения. Где среднестатистический человек встретит акселерометр? В телефоне, в часах, браслете. Как он работает?

Что такое акселерометр?

Акселерометр — это датчик, который измеряет линейное и угловое ускорение, то есть измеряет собственное движение. Он может указывать позицию по 1, 2 или 3 осям (X / Y / Z). В настоящее время наиболее популярны 3-х осевые датчики. Они состоят из 3 акселерометров, каждый из которых измеряет одну ось.

Как работает акселерометр? При отклонении или вибрации энергия вибрации преобразуется в электрический сигнал, который прямо пропорционален ускорению устройства. Сигнал отправляется в соответствующие компоненты для принятия соответствующих мер.

Акселерометр и гироскоп

Многие путают акселерометр с гироскопом. Это связано с тем, что для определения позиции необходимы оба компонента, но каждый из них делает это по-своему. Акселерометр измеряет собственное движение, а гироскоп дает точное положение объекта в пространстве.

Эти два компонента могут работать вместе и дополнять друг друга, но они не являются взаимозаменяемыми. По этой причине вы найдете оба этих решения в высокотехнологичной электронике. Поэтому, если вы заботитесь о точности ваших измерений, выберите модель с акселерометром и гироскопом.

Акселерометр — конструкция и типы преобразователей

Существует 3 основных типа преобразователей: емкостные MEMS, пьезоэлектрические и пьезорезистивные. Эти типы конструктивно различаются, но действуют аналогично.

MEMS

Наиболее распространены акселерометры MEMS. Эта технология недорогая и позволяет создавать микропреобразователи. Они состоят из гребенчатого конденсатора, грузила и соединяющих их пружин. Когда к датчику прикладывается сила, груз перемещается по пружинам, вызывая изменение емкости. Значение изменения преобразуется в электрический сигнал.

Пьезоэлектрический

Более дорогими, но не менее популярными являются акселерометры, использующие пьезоэлектрический эффект. Внутри преобразователя находятся микроскопические кристаллические структуры, которые под действием ускоряющего напряжения, в свою очередь, генерируют напряжение. Датчик их считывает и на основании этого определяет ориентацию и скорость движения.

Пьезорезистивный

Пьезорезистивный акселерометр работает как тензодатчик, то есть датчик, измеряющий напряжение. В центре акселерометра находится пьезорезистивный материал. Он деформируется под действием внешней силы, вызывая изменение сопротивления. Затем это изменение преобразуется в электрический сигнал.

Узнайте, как работает акселерометр в разном оборудовании

Принцип работы одинаков во всех устройствах, в которых реализован акселерометр. Датчик измеряет наклон и кручение, отправляет сигнал процессору, который выполняет соответствующее действие. В настоящее время датчик ускорения установлен во всех гаджетах, где имеют значение колебания положения — от умных часов до дронов, ноутбуков и подушек безопасности.

Как работает акселерометр в умных часах?

Умные часы были разработаны для измерения физической активности. Без датчиков, которые реагируют на движение или положение, умные часы были бы невозможны. Вот почему практически в каждых умных часах есть акселерометр.

Что это значит для владельца часов? Акселерометр в этом оборудовании чувствителен к движению запястья. Он используется в различных приложениях для измерения расстояния. Самый распространенный — шагомер. Акселерометр интерпретирует каждое движение руки как шаг. Затем это подсчитывается программой. Вы просматриваете результат на экране своих часов.

Датчик оказывается необходим еще и для измерения пройденных километров. После ввода личных данных, таких как возраст, рост и вес, приложение вычисляет стандартную длину шага. Датчик сообщает ей о ее движениях, чтобы она могла переводить шаги в метры. Аналогичным образом рассчитываются сожженные калории. Вы можете быть удивлены, но акселерометр также используется для отслеживания сна. Принцип работы такой же, как и у предыдущих вариантов. Программа определяет активность пользователя по движениям рук и на этой основе приблизительно оценивает продолжительность сна.

Другие функции, для которых потребуется акселерометр — это управление приложениями с помощью движений запястья и подсветка циферблата при поднятии руки на заданную высоту.

Умные часы Huawei WATCH GT 2 Black B19S

Если вас интересуют умные часы с акселерометром, обратите внимание на Huawei WATCH GT 2 Black B19S. Эта модель также оснащена барометром, гироскопом, высотомером, световым фактором, GPS и секундомером. Часы записывают вашу частоту сердечных сокращений в реальном времени и измеряют сатурацию крови кислородом (SpO2).

Кроме того, они поддерживают 15 видов спорта, в том числе: бег, езду на велосипеде, плавание, триатлон, скалолазание, велотренажер и фитнес. Huawei WATCH GT 2 отличается минималистичным дизайном. Вы можете легко адаптировать внешний вид часов к своему стилю, заменив циферблат и ремешки.

Акселерометр в телефоне — что это?

Современный смартфон — это еще одно устройство с акселерометром. Принцип работы такой же, как и в умных часах. Основная функция обсуждаемого сенсора — автоматический поворот изображения. Когда вы переворачиваете телефон из портретной ориентации в альбомную или наоборот, датчик определяет движение, и изображение адаптируется к положению оборудования. Эта опция чаще всего активируется сразу после первой настройки телефона, но вы всегда можете отключить ее в настройках.

Отключение звука — это еще один момент, когда на вашем телефоне потребуется акселерометр. Что это за функционал? Если вы получаете входящий звонок, но не хотите на него отвечать, просто переверните камеру вверх дном, и сигнал будет отключен. Разработчики игр также используют акселерометр. В гоночных играх вы сможете управлять автомобилем, наклоняя смартфон. Если у вашей камеры есть приложения для измерения расстояния или шага, они также работают таким же образом.

Samsung G991B Galaxy S21 5G

Ищете телефон с акселерометром? Если вы фанат новейших гаджетов, рекомендуем модель Samsung G991B Galaxy S21 5G. Помимо акселерометра, в устройство встроены классические датчики: барометр, датчик Холла, магнитометр, свет, зум и гироскоп.

Galaxy S21 — это в первую очередь мультимедийное оборудование. Наличие 4-х разных объективов и возможность записи в разрешении 8K означает, что вам не придется брать в отпуск профессиональную тяжелую камеру.

Вы любите играть или смотреть фильмы? Дисплей Dynamic AMOLED 2X с адаптивным обновлением 120 Гц гарантирует изображение без полос с чистыми цветами и глубокими оттенками черного.

Hammer Explorer Pro 6 / 128GB LTE

Смартфон оснащен 8-ядерным процессором и дисплеем с диагональю 5,7 дюйма =. Такие параметры означают, что вы можете свободно работать в Интернете, смотреть фильмы или участвовать в виртуальных играх. Помимо акселерометра, в телефоне есть датчики качества воздуха, датчики силы тяжести и т. д. датчики приближения, датчики света и сканер отпечатков пальцев, магнитометр и гироскоп.

Samsung M515F Galaxy M51

Если вас интересует универсальное оборудование, обратите внимание на смартфон Samsung M515F Galaxy M51. Благодаря ёмкому аккумулятору на 7000 мАч вы сможете пользоваться телефоном без подзарядки весь день. Если у вас закончится заряд, функция сверхбыстрой зарядки мощностью 25 Вт позволит зарядить аккумулятор всего за 97 минут!

Вы также можете делать хорошие фотографии на свой смартфон. На этом смартфоне установлены 4 камеры и цифровой зум до 8x. Благодаря 8-ядерному процессору Snapdragon 730 и 6 ГБ оперативной памяти вы можете использовать несколько приложений одновременно без перебоев. Конечно, эта модель также предлагает стандартные функции, такие как акселерометр, гироскоп, датчики окружающего света и приближения, компас и датчик отпечатков пальцев.

Акселерометр камеры

На данный момент о хорошей камере без встроенной стабилизации изображения не может быть и речи. Оборудование становится все меньше и меньше, а использование штатива или стабилизатора не всегда возможно. Поэтому производители стараются внедрять технологии, позволяющие снимать неподвижно.

Одно из решений — акселерометр. Как он работает в камере? Как только датчик обнаруживает вибрацию, он посылает сигнал на миниатюрные моторы, которые немедленно стабилизируют изображение. Благодаря этому даже фотографии, сделанные на бегу, будут четкими. Более того, если вы записываете фильм, вибрация вашей руки не повлияет на качество записанного видео.

Дроны и акселерометр

Дроны — это оборудование, которое приобретает все большую популярность. Они отлично подходят для наблюдения за улицами, съемки с воздуха и съемки со значительной высоты. Устройства маленькие и очень легкие, поэтому им нужна хорошая система, стабилизирующая их в воздухе. Без нее вы не сможете получить резкие фотографии.

Одним из необходимых элементов оказывается акселерометр. Его задача — точно измерить линейное и угловое ускорение. Показания, предоставляемые на регулярной основе, позволяют дрону стабильно летать или даже зависать на месте в очень ветреные дни.

Как работает акселерометр в ноутбуке?

Вы знаете, что такое акселерометр и как он работает в фототоварах и смартфонах. Какая его польза для ноутбука? Конвертер ускорения используется для защиты жесткого диска. Жесткий диск ноутбука является очень чувствительным элементом к ударам и вибрации. Чтобы не повредить его, в нем установлен акселерометр. Основная задача датчика — посылать сигналы об отклонениях в положении ноутбука прямо на процессор.

Например, если ноутбук упадет, система управления дисками немедленно получит уведомление о прекращении работы. Таким образом снижается риск потери данных.

Где еще применим акселерометр?

Акселерометр будет работать везде, где это необходимо для поддержания устойчивости. Рассматриваемые датчики обычно используются, например, в робототехнике. Все самодвижущиеся машины должны быть оснащены акселерометром, который точно измеряет ускорение по всем 3 осям. Датчик, установленный в электрическом скейтборде, также играет роль.

Акселерометр — полезная функция в умных часах или телефоне

Покупая смартфон или умные часы, вы обязательно проверяете, что выбранная модель имеет хорошую камеру и устойчива к влаге. Однако вряд ли кто-то смотрит на загадочные названия, например, гироскоп или акселерометр. Конструкция второй составляющей — дело, которое вы уже хорошо знаете, но, к сожалению, не всем интересно, что означает наличие акселерометра в том или ином гаджете. И все же без встроенного в устройство акселерометра даже приложение, загруженное из Интернета, не будет считать шаги или сожженные калории.

Аналогично обстоит дело и с камерами, где акселерометр встраивается в систему стабилизации изображения. Без него невозможно делать идеально четкие фотографии. Однако помните, что не во всех приборах есть этот элемент. С другой стороны, акселерометр теперь становится стандартом в последних моделях.

Источник