加速度计应用及前景分析

作为ADI公司紧凑的低成本、重力敏感型iMEMS®加速度计的应用支持工程师，我们有机会听到许多有关如何运用加速度计的创意想法，但有些想法违背了物理定律!我们依据实现这些想法的可能性，非正式地对其中一些予以评定：

　　· 现实——切实可行，目前并已经实现的实际应用。

　　· 幻想——如果我们有更先进的技术就可能实现的应用。

　　· 想入非非——我们能想到的任何实际实施方案将会违背物理定律。

　　洗衣机负荷平衡。洗衣机高速旋转时，负荷不平衡将导致洗衣机摇晃，如果不加以限制，洗衣机甚至能在地板上“走动”起来。利用加速度计检测旋转期间的加速度。如果存在不平衡，洗衣机将来回抖动滚筒以重新分布负荷，直至负荷达到平衡为止。

　　现实。负荷平衡更佳时，旋转速度可以更快，从而将更多水从衣服中甩出，使甩干过程能效更高，这可是当今大力倡导的事情!还有一个好处是滚筒运动减震所需的机械部件将更少，使得整体系统更轻，成本更低。如果实施得当，马达的峰值负荷更低，传动和轴承系统的使用寿命将得以延长。这项应用已经实现。

　　机械健康状况监控。许多行业按照预防性维修日程计划更换或彻底检修机械设备，尤其在人们无法容忍无计划停机的应用中。因此，许多行业经常过早地花费巨资改造尚有很长使用寿命的机械。将加速度计嵌入轴承或其它旋转设备中，就可以延长其使用寿命，而不用担心突发故障。加速度计通过检测轴承或其它旋转设备的振动，确定其工作状况。

　　现实。利用轴承的振动“特征”来确定其状况是业界公认且成熟的设备维护方法，但为了获得精确结果，需要较宽的测量带宽。在ADXL001推出之前，加速度计和相关信号调理设备的成本非常高。现在，具有宽带宽(22 kHz)和内部信号调理功能的ADXL001已成为低成本轴承维护应用的理想之选。

　　自动校平。加速度计测量大型机器或活动房屋等物体的绝对倾斜度。微控制器利用该倾斜信息自动校平物体。

　　介于现实和幻想之间(取决于应用)。自动校平是一项要求极高的应用，要求绝对精确。表面微加工加速度计具有极高的分辨率，但高精度(优于1°倾斜度)的绝对倾斜度测量对温度稳定性和迟滞性能的要求极高，采用当今的表面微加工加速度计无法实现。对于温度范围适中的应用，ADXL203等高稳定性加速度计可以胜任。对于宽温度范围、绝对精度要求在±5°以内的应用，这些加速度计也能处理。但是，要在宽温度范围内实现更精确的校平，则需要外部温度补偿。即使利用外部温度补偿，仍然难以实现优于±0.5°倾斜度的绝对精度。有些应用目前已经实现。

　　手机的人机界面。微控制器借助加速度计识别用户手势，从而实现对移动设备的单手控制。

　　现实。手机屏幕占用了控制区域的大部分可用面积。手机制造商可以将加速度计用于用户界面功能，以便增加“无按钮”特性，例如单振/双振(模拟鼠标单击/双击)、屏幕旋转、倾斜控制的滚动、基于方向的振铃控制等。此外，手机制造商可以利用加速度计改善导航功能的精度和使用性能，以及开发其它新应用。这项应用目前已经实现。

　　汽车报警。加速度计检测汽车是否被顶起或被拖车抓起，如果是则报警。

　　现实。最常见的偷车手法之一是直接用拖车拖走。传统的汽车报警对此无能为力。冲击检测器无法测量倾斜度的变化，点火禁用系统也不起作用。本应用利用ADXL213的高分辨率能力。如果加速度计测量到倾斜度变化超过每分钟0.5°，汽车就发出警报——但愿能吓跑窃贼。这需要良好的温度稳定性，没有人希望自己的汽车因为天气变化而发出警报，因此高度稳定的ADXL213可谓理想选择。这项应用目前已在OEM和售后汽车防盗系统中实现。滑雪板固定器。加速度计测量总冲击能量和“特征”，确定是否应当松开固定器。

　　幻想。机械式滑雪板固定器已经高度先进，但性能受限。如果能测量滑雪者所感受到的实际冲击力，就能精确判定是否应当松开固定器。智能系统可以考虑每个人的能力和生理状况。这是一项实用的加速度计应用，但目前的电池技术不敷所需。等到将来开发出小而轻且在低温下保持良好性能的电池时，这项应用就能变成现实。

　　个人导航。本应用通过航位推算法确定位置(利用加速度对时间的二重积分确定实际位置)。

　　想入非非。加速度测量结果中的小误差日积月累，将导致长期积分结果出现较大误差。二重积分将加剧误差(t2)。如果不采取措施不时地重新设定实际位置，误差将变得十分巨大。这与简单地将电容放在运算放大器上来构建积分器类似。即使将来加速度计的精度能够比现在高出十倍或百倍，最终仍然会产生巨大误差，只是所需时间长一点。

　　加速度计可以结合GPS导航系统使用，在GPS信号短暂不可用时提供服务。较短的积分周期(一分钟左右)可以获得令人满意的结果，而且巧妙的算法可以利用替代方法提供良好的精度。例如在步行时，每走一步，身体都会上下运动。加速度计可以用来制作高度精确的计步器，其测量步行距离的精度可达±1%以内。

　　重低音伺服控制。将加速度计安装在重低音喇叭上，以便提供位置反馈，进而通过伺服方法消除失真。

　　现实。目前市场上已有多种带伺服控制的有源重低音音箱。伺服控制可以大大降低谐波失真和功率压缩。伺服控制也可以通过电子方式降低扬声器/音箱系统的Q，从而允许使用更小的音箱，详见扬声器失真降低(Richard A. Greiner和Travis M. Sims, Jr., JAES Vol. 32, No. 12)。ADXL193小而轻，加到扬声器喇叭上之后，并不会显著改变整体声学特征。

　　神经肌肉刺激器。本应用可以在适当的时候刺激肌肉，以帮助对小腿肌肉失去控制的人走路。

　　现实。走路时，一般先抬脚，使腿部前移，然后落下，向后推腿部。加速度计戴在小腿或脚上的某个位置，以便检测腿的位置。然后通过电子方式刺激适当的肌肉，使脚根据需要而屈伸。

　　这是微加工加速度计使一项产品切实可行的范例。早期型号使用液体倾斜传感器或活动滚珠轴承(用作开关)来确定腿的位置。液体倾斜传感器的问题在于液体会晃动，因此只能慢速步行。在山路上行走时，很容易迷惑滚珠轴承开关。加速度计则是测量腿后移与腿前移之间的差别，因此山路无法愚弄该系统，而且也不存在液体晃动问题。加速度计功耗很低，系统可以采用小型锂电池工作，使得最终封装产品并不显眼。这项应用已经实现。

　　汽车噪声消除。加速度计检测车厢内的低频振动，消除噪声系统利用立体声系统中的扬声器消除该振动。

　　想入非非。虽然加速度计可以毫无困难地拾取车厢内的振动，但消除噪声在很大程度上取决于相位。虽然我们可以消除某个位置的噪声(例如驾驶员头部周围)，但其它位置的噪声可能会增加。

　　结束语

　　表面微加工加速度计具有高灵敏度、小尺寸、低成本、封装结实等特点，能够测量静态和动态加速力，因而使众多新型应用得以实现。其中有许多应用并不属于加速度计的传统应用范围，超出了人们的预期。现在看来，设计人员的想象力似乎才是潜在应用范围的限制因素，但有时候，设计人员也会想象过头!性能的不断改进将催生越来越多的应用，但对那些违背物理定律的所谓“解决方案”最好敬而远之。