Инерционный датчик: Что такое инерционный выключатель подачи топлива и как он работает

Что такое инерционный выключатель подачи топлива и как он работает

Содержание

В современных автомобилях с каждым годом появляется такое количество новых опций, что рядовые водители не успевают их отслеживать. Причём оснащаются ими не только представители премиум-сегмента, но и вполне бюджетные модели. Сложно удивить сегодня круиз- или климат-контролем, удалённым запуском или подогревом автомобильных кресел.

Постоянно добавляются в конструкциях транспортных средств разнообразные датчики, в которых путаются даже автомобильные мастера. Неудивительно, что водители, плохо разбирающиеся в устройстве ДВЗ, не ориентируются в их предназначении. Одним из таких приспособлений выступает инерционный датчик подачи топлива.

Зачем нужна кнопка инерционного отключения топлива

Главная функция, ради которой была внедрена кнопка инерционного выключателя, заключается в реагировании на экстренные ситуации. В первую очередь она прекратит подачу топлива и убережёт от возгорания при аварии. Если машина попадает в ДТП или просто аварийно затормаживает, выключатель отключит бензонасос.

Интересно, что даже не существенные повреждения в ходе ДТП могут спровоцировать отключение подачи горючего. Естественное продолжение заключается в том, что мотор заглохнет. Недостаточно будет повернуть ключ или нажать на кнопку стартера. Чтобы запустить его снова, нужно дополнительно нажать инерционный выключатель подачи топлива.

Если ранее устанавливалась полноценная кнопка, то в последние годы её стали заменять датчиком. Кнопка не могла гарантированно включиться самостоятельно при аварии и чаще использовалась как дополнительная защита от угона. Зато датчик способен отключать подачу горючего в автоматическом режиме. Однако это не гарантирует его 100% работоспособность, ведь он может засориться и выйти из строя. Эксперты рекомендуют проверять его функционирование хотя бы раз в 1-2 года.

Как проявляется срабатывание

Срабатывание инерционного выключателя насоса может произойти из-за резкого торможения или столкновения с другим препятствием. Таким примером порой выступает даже глубокая яма, неожиданно возникшая на дороге, не говоря уже об автомобиле или элементах ограждения. В ряде случаев автоматическое отключение подачи топлива не приводит к его восстановлению после нажатия на кнопку. Как вариант — вышел из строя сам модуль. Дополнительным свидетельством такой ситуации станет шум бензонасоса и «плавание» холостых оборотов.

Система электронного управления двигателем традиционно фиксирует каждую такую поломку в виде ошибки и выдаёт соответствующее сообщение. Датчик топлива должен передавать компьютеру информацию даже о незначительных изменениях в объёмах подачи бензина. Она может прекратиться из-за прекращения исправного соединения выключателя с аккумулятором или системой зажигания.

Как включить и выключить инерционный датчик

Для того чтобы убедиться в работоспособности выключателя подачи горючего, нужно знать, как и где он включается. Кнопку чаще можно обнаружить под приборной панелью, водительским либо пассажирским сидением. Теперь необходимо переместить ключ в замке зажигания в положение для запуска мотора. Кнопку сброса подачи топлива на бензонасосе нажимаем и держим так 15-20 секунд.

Пытаемся повторно запустить двигатель своего автомобиля. Если инерционный датчик исправен, то запуск произойдёт. Даже когда срабатывание выключателя произошло по ложным причинам, мотор обязательно заведётся. В противном случае нужно искать определённую неисправность.

Полезно иметь информацию о том, как проверяется работоспособность кнопки. Для этого будем действовать по следующему сценарию:

1. Сначала нужно убедиться в подключении аккумуляторной батареи и контакте, идущего на клеммы. Также стоит проверить нормальную затяжку их соединений.
2. Вставляем ключ зажигания в замок и включаем его поворотом ключа. После этого вновь отключаем. Проделать это рекомендуется 3-4 раза, чтобы система успела наполниться топливом.
3. Запускаем двигатель и оцениваем на шум корректность и устойчивость его работы.

Можно наблюдать за работоспособностью инерционного выключателя и в движении. Для этого нужно отмечать, не будет ли кратковременных отключений в подаче горючего. Периодически полезно придавать ускорение автомобилю, нажимая на педаль акселератора. Особое внимание стоит уделить индикатору «check» на приборной панели. Если эта лампочка загорается, то, вполне вероятно, насосу требуется дополнительная диагностика.

На какие машины устанавливается инерциальное отключение подачи топлива

Практически все автопроизводители оснащают свои машины таким секретным датчиком, который запросто может спасти жизнь водителю и пассажирам, причём на некоторых такая практика существует еще с 80-90-ых годов. Трудно встретить «японца» или «американца» без установленного инерционного выключателя бензонасоса.

Что касается конкретных автомобилей и производителей, то инерционные выключатели можно встретить на Audi, Ford Focus, Fiesta, Renault, Daewoo Lanos и десятках других распространенных моделях. Уже и отечественные автозаводы широко используют их на своей продукции — например, Лада Веста или Калина, УАЗ Патриот и др.

С другой стороны, многие их обладатели и понятия не имеют о существовании этого интересного датчика.

В каком месте находится инерционный датчик

У многих современных моделей для размещения датчика инерционного отключения используется место поблизости от водительской подушки безопасности. По этой причине не исключаются ложные срабатывания, как это бывает при аварийном торможении. Чтобы возобновить поступление горючего, от водителя требуется нажать на кнопку для принудительной подачи.

Производители размещают этот узел по своему усмотрению. Вот перечень основных мест, где его стоит поискать:

• под приборной панелью с водительской стороны;
• под сидением либо водителя, либо пассажира;
• в подкапотном пространстве, в районе нахождения бензонасоса;
• в багажном отсеке;
• под перчаточным ящиком рядом с передним пассажиром.

Однако это не единственные места, где может размещаться кнопка или датчик на практике. Если самостоятельно отыскать не удается, можно обратиться к руководству по эксплуатации, составленному производителем. Если по каким-либо причинам это невозможно сделать, лучше сразу задать вопрос своему дилерскому центру — уж там вам точно смогут помочь с ответом.

Что такое инерционный выключатель подачи топлива и как он работает

Содержание

В современных автомобилях с каждым годом появляется такое количество новых опций, что рядовые водители не успевают их отслеживать. Причём оснащаются ими не только представители премиум-сегмента, но и вполне бюджетные модели. Сложно удивить сегодня круиз- или климат-контролем, удалённым запуском или подогревом автомобильных кресел.

Постоянно добавляются в конструкциях транспортных средств разнообразные датчики, в которых путаются даже автомобильные мастера. Неудивительно, что водители, плохо разбирающиеся в устройстве ДВЗ, не ориентируются в их предназначении. Одним из таких приспособлений выступает инерционный датчик подачи топлива.

Зачем нужна кнопка инерционного отключения топлива

Главная функция, ради которой была внедрена кнопка инерционного выключателя, заключается в реагировании на экстренные ситуации. В первую очередь она прекратит подачу топлива и убережёт от возгорания при аварии. Если машина попадает в ДТП или просто аварийно затормаживает, выключатель отключит бензонасос.

Интересно, что даже не существенные повреждения в ходе ДТП могут спровоцировать отключение подачи горючего. Естественное продолжение заключается в том, что мотор заглохнет. Недостаточно будет повернуть ключ или нажать на кнопку стартера. Чтобы запустить его снова, нужно дополнительно нажать инерционный выключатель подачи топлива.

Если ранее устанавливалась полноценная кнопка, то в последние годы её стали заменять датчиком. Кнопка не могла гарантированно включиться самостоятельно при аварии и чаще использовалась как дополнительная защита от угона. Зато датчик способен отключать подачу горючего в автоматическом режиме. Однако это не гарантирует его 100% работоспособность, ведь он может засориться и выйти из строя. Эксперты рекомендуют проверять его функционирование хотя бы раз в 1-2 года.

Как проявляется срабатывание

Срабатывание инерционного выключателя насоса может произойти из-за резкого торможения или столкновения с другим препятствием. Таким примером порой выступает даже глубокая яма, неожиданно возникшая на дороге, не говоря уже об автомобиле или элементах ограждения. В ряде случаев автоматическое отключение подачи топлива не приводит к его восстановлению после нажатия на кнопку. Как вариант — вышел из строя сам модуль. Дополнительным свидетельством такой ситуации станет шум бензонасоса и «плавание» холостых оборотов.

Система электронного управления двигателем традиционно фиксирует каждую такую поломку в виде ошибки и выдаёт соответствующее сообщение. Датчик топлива должен передавать компьютеру информацию даже о незначительных изменениях в объёмах подачи бензина. Она может прекратиться из-за прекращения исправного соединения выключателя с аккумулятором или системой зажигания.

Как включить и выключить инерционный датчик

Для того чтобы убедиться в работоспособности выключателя подачи горючего, нужно знать, как и где он включается. Кнопку чаще можно обнаружить под приборной панелью, водительским либо пассажирским сидением. Теперь необходимо переместить ключ в замке зажигания в положение для запуска мотора. Кнопку сброса подачи топлива на бензонасосе нажимаем и держим так 15-20 секунд.

Пытаемся повторно запустить двигатель своего автомобиля. Если инерционный датчик исправен, то запуск произойдёт. Даже когда срабатывание выключателя произошло по ложным причинам, мотор обязательно заведётся. В противном случае нужно искать определённую неисправность.

Полезно иметь информацию о том, как проверяется работоспособность кнопки. Для этого будем действовать по следующему сценарию:

1. Сначала нужно убедиться в подключении аккумуляторной батареи и контакте, идущего на клеммы. Также стоит проверить нормальную затяжку их соединений.
2. Вставляем ключ зажигания в замок и включаем его поворотом ключа. После этого вновь отключаем. Проделать это рекомендуется 3-4 раза, чтобы система успела наполниться топливом.
3. Запускаем двигатель и оцениваем на шум корректность и устойчивость его работы.

Можно наблюдать за работоспособностью инерционного выключателя и в движении. Для этого нужно отмечать, не будет ли кратковременных отключений в подаче горючего. Периодически полезно придавать ускорение автомобилю, нажимая на педаль акселератора. Особое внимание стоит уделить индикатору «check» на приборной панели. Если эта лампочка загорается, то, вполне вероятно, насосу требуется дополнительная диагностика.

На какие машины устанавливается инерциальное отключение подачи топлива

Практически все автопроизводители оснащают свои машины таким секретным датчиком, который запросто может спасти жизнь водителю и пассажирам, причём на некоторых такая практика существует еще с 80-90-ых годов. Трудно встретить «японца» или «американца» без установленного инерционного выключателя бензонасоса.

Что касается конкретных автомобилей и производителей, то инерционные выключатели можно встретить на Audi, Ford Focus, Fiesta, Renault, Daewoo Lanos и десятках других распространенных моделях. Уже и отечественные автозаводы широко используют их на своей продукции — например, Лада Веста или Калина, УАЗ Патриот и др.

С другой стороны, многие их обладатели и понятия не имеют о существовании этого интересного датчика.

В каком месте находится инерционный датчик

У многих современных моделей для размещения датчика инерционного отключения используется место поблизости от водительской подушки безопасности. По этой причине не исключаются ложные срабатывания, как это бывает при аварийном торможении. Чтобы возобновить поступление горючего, от водителя требуется нажать на кнопку для принудительной подачи.

Производители размещают этот узел по своему усмотрению. Вот перечень основных мест, где его стоит поискать:

• под приборной панелью с водительской стороны;
• под сидением либо водителя, либо пассажира;
• в подкапотном пространстве, в районе нахождения бензонасоса;
• в багажном отсеке;
• под перчаточным ящиком рядом с передним пассажиром.

Однако это не единственные места, где может размещаться кнопка или датчик на практике. Если самостоятельно отыскать не удается, можно обратиться к руководству по эксплуатации, составленному производителем. Если по каким-либо причинам это невозможно сделать, лучше сразу задать вопрос своему дилерскому центру — уж там вам точно смогут помочь с ответом.

Инерциальные датчики — д-р Костас Алексис

Инерциальные датчики

Инерционные датчики — это датчики, основанные на инерции и соответствующих принципах измерения. Они варьируются от инерциальных датчиков микроэлектромеханических систем (МЭМС) размером всего несколько миллиметров до кольцевых лазерных гироскопов, которые представляют собой высокоточные устройства размером до 50 см. В этой заметке мы кратко обобщим эти случаи инерциальных датчиков, которые наиболее важны для автономной навигации беспилотных летательных аппаратов. Инерциальные датчики для воздушной робототехники обычно представляют собой блок инерциальных измерений (IMU), который состоит из акселерометров, гироскопов, а иногда и магнитометров. Далее мы кратко изложим основные принципы работы акселерометров и гироскопов, широко применяемых в беспилотной авиации. 92 прямо вверх. Напротив, акселерометры при свободном падении, движущиеся по орбите и ускоряющиеся под действием силы тяжести Земли, будут измерять ноль.

Акселерометры представляют собой электромеханические устройства, способные измерять статические и/или динамические силы ускорения. Статические силы включают гравитацию, а динамические силы могут включать вибрации и движение. Акселерометры могут измерять ускорение по 1, 2 или 3 осям. В настоящее время 3-осевые устройства становятся все более распространенными из-за значительного снижения стоимости. На рис. 1 изображены оси, имеющиеся на таком устройстве. Подчеркнуто, что акселерометр будет измерять по собственному эталону и на основе воздействия на него внешних сил.

Рис. 1: Оси 3-осевого акселерометра.

Упрощенная модель акселерометра представлена ​​на рис. 2. Он состоит из массы (m), пружинно-демпферной системы (k,c), преобразователя и габаритного узла, жестко прикрепленного к транспортному средству. Смещение транспортного средства от инерционно-закрепленной точки обозначается как d, а смещение пробной массы m от ее точки покоя обозначается как x. Следовательно:

Рис. 2: Упрощенная модель акселерометра.

где α — ускорение (вторая производная от d). По сути, это линейная инвариантная во времени (LTI) модель второго порядка. В качестве входных данных используется реальное ускорение транспортного средства, а выходным сигналом является отрицательная величина указанного времени перемещения пробной массы, км/м. Его блок-схема показана на рисунке 3.

Рисунок 3: Блок-схема упрощенной модели акселерометра.

Обратите внимание, что для случаев, в которых ускорение транспортного средства является постоянным, выходной сигнал акселерометра в установившемся режиме также является постоянным, что указывает на наличие и значение ускорения.

Наконец, как показано выше из ОДУ второго порядка, незатухающая собственная частота и коэффициент затухания акселерометра составляют:

Влияние смещения на акселерометры: измерения акселерометра ухудшаются из-за ошибок шкалы и эффектов смещения. Типичная модель ошибки имеет вид: 9m для измерения и a смещение для смещения измерения.

Ссылки и дополнительная литература: 

• Курс «Динамика» MIT OCW, преподаватели: проф. Шейла Видналл, проф. Джон Дейст, проф. Эдвард Грейтцер, http://ocw.mit.edu/courses/aeronautics- and-astronautics/16-07-dynamics-fall-2009/
• Акселерометр в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Акселерометр

Гироскопы

Гироскоп концептуально представляет собой вращающееся колесо, в котором ось вращения может принимать любую возможную ориентацию. При вращении ориентация этой оси остается неизменной при наклоне или вращении крепления в соответствии с законом сохранения углового момента. Благодаря этому принципу гироскоп позволяет измерять ориентацию и скорость ее изменения. Слово происходит от греческих «γύρος» и σκοπεύω, что означает «круг» и «смотреть» соответственно. В настоящее время мы в основном используем гироскопы, основанные на разных принципах работы. В авиации мы уделяем особое внимание гироскопам MEMS или твердотельным кольцевым лазерам, а также волоконно-оптическим гироскопам. В мелкомасштабной воздушной робототехнике нас в основном интересуют гироскопы MEMS. Гироскопы также называются «гироскопами» на обычном бытовом техническом языке. На рис. 4 представлен чертеж компонента гироскопа по трем осям.

Рис. 4: 3 направления ориентации, измеренные 3-осевым гироскопом.

Чтобы интуитивно понять работу гироскопа, можно представить, что он находится в центре вращающегося колеса. Затем будет измерена угловая скорость оси Z гироскопа. Тогда две другие оси не будут измерять вращение или его изменение. Классический поворотный гироскоп основан на законе изменения углового момента. Проще говоря, этот закон гласит, что полный угловой момент системы остается постоянным как по величине, так и по направлению результирующего внешнего крутящего момента, действующего на систему, равного нулю. Гироскопы, использующие этот принцип, обычно состоят из вращающегося диска или массы на оси, которая затем устанавливается на ряд шарниров. Каждый из этих карданов обеспечивает вращающемуся диску дополнительную степень свободы. По сути, кардан позволяет ротору вращаться без приложения какого-либо внешнего крутящего момента к гироскопу. Следовательно, пока гироскоп вращается, он будет сохранять постоянную ориентацию. В случае наличия в этих устройствах внешних моментов или поворотов вокруг заданной оси ориентация может сохраняться, а измерение угловой скорости происходить — за счет явления прецессии.

Рис. 5: 3D-гироскоп. Изображение воспроизведено с https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_Gyroscope.png .

Явление прецессии имеет место, когда к объекту, вращающемуся вокруг некоторой оси (своей «оси вращения»), приложен внешний крутящий момент в направлении, перпендикулярном оси вращения (входной оси). Во вращательной системе, когда присутствуют чистые внешние крутящие моменты, вектор углового момента (вдоль оси вращения) будет двигаться в направлении вектора приложенного внешнего крутящего момента. Следовательно, ось вращения вращается вокруг оси, которая перпендикулярна как входной оси, так и оси вращения (теперь это выходная ось).

Это вращение вокруг выходной оси затем воспринимается и передается обратно на входную ось, где мотороподобное устройство прикладывает крутящий момент в противоположном направлении, тем самым отменяя прецессию гироскопа и сохраняя его ориентацию. Чтобы измерить скорость вращения, противодействующий крутящий момент пульсирует через периодические интервалы времени. Каждый импульс представляет собой фиксированный шаг углового вращения, и количество импульсов в фиксированном интервале времени будет пропорционально изменению угла θ за этот период времени. Следовательно, приложенный (известный) противодействующий момент пропорционален измеряемой скорости вращения.

Гироскопы с вибрирующей структурой  являются устройствами MEMS (микромеханические электромеханические системы), работа которых основана на вибрирующей конструкции, использующей явление силы Кориолиса. Во вращающейся системе все точки вращаются с одинаковой скоростью. По мере приближения к оси вращения этой системы скорость вращения остается той же, но скорость в направлении, перпендикулярном оси вращения, обязательно уменьшается. Следовательно, чтобы двигаться по прямолинейному одиночеству к оси вращения или от нее (находясь на вращающейся системе), необходимо отрегулировать поперечную скорость, чтобы сохранить то же относительное угловое положение (долготу) на теле. Сила Кориолиса соответствует произведению массы объекта (долгота которого должна сохраняться) на ускорение, приводящее к требуемому замедлению или ускорению. Сила Кориолиса пропорциональна как угловой скорости вращающегося объекта, так и скорости объекта, движущегося к оси вращения или от нее. На рис. 6 показана концепция.

Рис. 6: Концепция силы Кориолиса для измерения скорости вращения.

Что касается фактического способа реализации такого устройства, то гироскоп с вибрирующей структурой содержит микромеханическую массу, которая соединена с внешним корпусом парой пружин. Этот внешний корпус затем соединяется с фиксированной печатной платой с помощью второго набора ортогональных пружин. Испытательная масса непрерывно движется синусоидально вдоль первого набора пружин. Поскольку любое вращение системы вызовет ускорение Кориолиса в массе, она впоследствии подтолкнет ее в направлении второго набора пружин. Когда масса отклоняется от оси вращения, масса будет толкаться перпендикулярно в одном направлении, а когда она отталкивается назад к оси вращения, она будет толкаться в противоположном направлении из-за силы Кориолиса, действующей на масса. На рис. 7 представлен чертеж МЭМС-гироскопа.

Рис. 7: Чертеж гироскопа в виде МЭМС-структуры.

Сила Кориолиса воспринимается и обнаруживается с помощью емкостных сенсорных датчиков, встроенных вдоль корпуса испытательной массы и жесткой конструкции. По мере того как испытательная масса толкается силой Кориолиса, возникает дифференциальная емкость, которая будет обнаруживаться при сближении чувствительных пальцев. Когда масса толкается в противоположном направлении, разные наборы сенсорных пальцев сближаются. Следовательно, датчик может определять как величину, так и направление угловой скорости системы.

Необходимость калибровки: Гироскопы MEMS зависят от температуры и должны быть точно откалиброваны перед началом полезной работы.

Эффекты смещения на гироскопах: Самая большая проблема с гироскопами (и то, что существенно ограничивает нас от простого выполнения действий по интегрированию их измерений) — это наличие эффектов смещения. Смещение в основном вызвано:

• Прохождением возбуждения привода
• Смещениями выходной электроники
• Моментами подшипников

И присутствуют в трех формах, что касается их выражения и изменения во времени, а именно:

• Фиксированное смещение («const»)
• Изменение смещения от одного включения к другому (тепловое), называемое смещением стабильность («BS»)
  
• Дрейф смещения, обычно моделируемый как случайное блуждание («BD»)

Эти условия являются аддитивными, поэтому мы можем написать: 

, где Q известна, с единицами измерения (град/ч)/кв. м (ч)

Модель шума : Типичная модель шума, используемая для регистрации таких эффектов на гироскопах, имеет вид:

Подчеркнуто, что необходимо учитывать дрейф смещения в динамике фильтра Калмана.

Ссылки и другая дополнительная литература:

• SensorWiki: http://www.sensorwiki.org/doku.php/ 
• Статья в Википедии о гироскопах: https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope
• MIT OCW — Устойчивость и управление самолетом — Лекция «Инерциальные датчики, дополнительная фильтрация, простая фильтрация Калмана»

Получить данные с телефона

Смартфон имеет довольно хороший для своей стоимости блок инерциальных измерений, что дает доступ к данным акселерометра и гироскопа. Интуитивное понимание качества данных датчиков всегда имеет большое значение. Не стесняйтесь использовать любое из бесплатно доступных приложений (например, «Sensorstream IMU+GPS» для Android) и используйте фрагмент кода Python, аналогичный приведенному ниже, для получения данных. Этот исходный код взят из примера, доступного на веб-сайте приложения «Sensorstream IMU+GPS». Продолжайте и создайте для себя приложение для построения графиков в реальном времени. Изображение справа было найдено на «​http://www.bbiphones.com/».

 # Получить данные и распечатать их
импорт сокета, трассировка
хост = ''
порт = 5555
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.setsockopt(сокет.SOL_SOCKET, сокет.SO_REUSEADDR, 1)
s.setsockopt(сокет.SOL_SOCKET, сокет.SO_BROADCAST, 1)
s.bind((хост, порт))
пока 1:
    пытаться:
        сообщение, адрес = s.recvfrom(8192)
        распечатать сообщение
    кроме (KeyboardInterrupt, SystemExit):
            поднимать
    кроме:
        traceback.print_exc()
 

Что такое инерциальные датчики?

Инерционные датчики используются для преобразования силы инерции в измеримые электрические сигналы для измерения ускорения, наклона и вибрации объекта. Технология микрообработки позволила производить инерциальные датчики MEMS (микроэлектромеханическая система) с использованием сенсорных элементов из монокристаллического кремния. Эти датчики микронного размера отвечают всем основным требованиям проектирования систем, таким как низкая стоимость, высокая производительность, высокая точность и малый форм-фактор. Основываясь на тех же принципах, что и макроскопические инерциальные датчики, инерциальные датчики MEMS могут обнаруживать малейшие изменения в положении, ориентации и ускорении объекта длиной в несколько метров, используя сенсорный блок размером всего в несколько микрометров.

В основном существует два типа инерциальных датчиков MEMS: акселерометры, измеряющие линейное ускорение по одной или нескольким осям, и гироскопы, измеряющие угловое движение. Эти датчики изготавливаются для использования в конкретных приложениях, поскольку для каждого приложения требуются инерциальные датчики с различной полосой пропускания, разрешением и динамическим диапазоном. Например, инерционный датчик, используемый в системе выпуска подушек безопасности автомобиля, должен иметь полосу пропускания до 0,5 кГц, разрешение около 500 мГс и динамический диапазон около +/-100 Гс. В то время как инерционный датчик, используемый в приборе для измерения космической микрогравитации, может иметь полосу пропускания 0–10 Гц, но должен иметь разрешение с точностью до < 1 мкГс и динамический диапазон менее +/- 1 Гс.

Инерциальные датчики обычно являются частью более крупной системы управления в любом приложении или устройстве. Простая информация об ускорении или угловом движении объекта бесполезна. Информация, полученная от инерциального датчика, всегда используется для управления движением самого устройства или используется для активации исполнительного механизма, например, для открытия подушки безопасности автомобиля.

Применение инерциальных датчиков
Было время, когда создание инерциальных датчиков было дорогостоящим делом, и их использование ограничивалось военными и аэрокосмическими приложениями. Разработка инерциальных датчиков MEMS открыла возможности и использование инерциальных датчиков в автомобильной и различной бытовой электронике.

В автомобильной промышленности акселерометр используется для контроля срабатывания подушки безопасности, контроля тяги, ремня безопасности, активной подвески, антиблокировочной тормозной системы (ABS) и контроля вибрации автомобиля. В то время как гироскоп используется для защиты от опрокидывания, автоматических поворотников, усилителя руля и для управления динамикой автомобиля.

В потребительском сегменте инерциальные датчики используются в различных приложениях, таких как стабилизация платформы в видеокамерах, гарнитурах виртуальной реальности, указывающих устройствах для компьютеров, интеллектуальных игрушках и игровых клавиатурах. Все современные смартфоны и планшеты оснащены инерционными датчиками для определения поворота экрана, игр и приложений дополненной реальности.

Инерциальные датчики также используются для контроля положения и ориентации роботов-манипуляторов и беспилотных роботизированных транспортных средств. В медицинских приложениях эти датчики используются для наблюдения за пациентами с особыми заболеваниями, например, для наблюдения за пациентами с болезнью Паркинсона. Высококачественные инерциальные датчики используются в военных и аэрокосмических приложениях, таких как интеллектуальные боеприпасы, управление динамикой самолета, обнаружение столкновений, система катапультирования сиденья в самолетах и ​​измерение микрогравитации.

Акселерометры
Акселерометры состоят из механического чувствительного элемента, который может измерять ускорение по одной или нескольким осям. Чувствительный элемент состоит из контрольной массы, прикрепленной к системе отсчета механической подвесной системой. В датчиках MEMS пробная масса представляет собой чрезвычайно малую сейсмическую массу, а система подвески состоит из кремниевых пружин.

Микрофотография квадранта акселерометра, вид сверху

Контрольная масса отклоняется от своего стабильного положения всякий раз, когда датчик испытывает некоторую инерционную силу из-за ускорения. Второй закон Ньютона управляет этим. Отклонение контрольной массы от ускорения выражается уравнением Лапласа следующим образом:
x/a = 1/(s ² + b/m + s*k/m)
Где,
x — перемещение контрольной массы,
a — ускорение, 15 9 с – оператор Лапласа,
b – коэффициент демпфирования,
m – масса пробной массы,
k – механическая жесткость подвесной системы.

Следующее уравнение дает резонансную частоту датчика:
f _n = √(k/m)

Следующее уравнение дает добротность:
Q = √(m*k)/b

Следующее уравнение дает чувствительность датчика (в разомкнутом контуре):
S = m/k

Таким образом, вы можете видеть, что при увеличении чувствительности резонансная частота уменьшается, и наоборот. Этот компромисс можно отрегулировать с помощью системы с обратной связью. Коэффициент демпфирования определяет максимальную полосу пропускания акселерометра. В акселерометрах МЭМС коэффициент демпфирования часто является переменным и увеличивается с перемещением контрольной массы.

Во всех типах микромеханических акселерометров смещение контрольной массы измеряется интерфейсами измерения положения, как и при емкостном измерении, к контрольной массе прикреплены подвижные пластины, которые перемещаются вдоль контрольной массы между неподвижными емкостными электродами. Существует много типов сенсорных механизмов, которые используются в конструкции акселерометров. Некоторые из распространенных методов измерения включают пьезорезистивный, емкостной, пьезоэлектрический, оптический и туннельный ток.

Акселерометр может иметь разомкнутую или замкнутую систему. Если электрические сигналы от интерфейса измерения положения используются непосредственно в качестве выходных сигналов, это называется акселерометром без обратной связи. Большинство датчиков акселерометра являются разомкнутыми, поскольку их легко построить. Однако акселерометры без обратной связи должны работать с высокими допусками из-за переменной жесткости пружины, переменного коэффициента демпфирования и нелинейных перемещений контрольной массы.

В акселерометре с обратной связью имеется система обратной связи, которая прикладывает силу обратной связи к контрольной массе, пропорциональную ее ускорению, возвращая контрольную массу в исходное положение. Таким образом, нелинейные факторы компенсируются, чувствительность становится зависимой от управления с обратной связью, а динамикой датчика можно точно управлять с помощью контроллера электрического сигнала. Контрольная масса может быть возвращена в исходное положение с помощью электростатического, теплового или магнитного срабатывания. Сигнал обратной связи, управляющий силой обратной связи, может быть аналоговым или цифровым. Все это усложняет конструкцию датчика.

Методы измерения ускорения
Акселерометры могут измерять ускорение по определенной оси разными способами. Некоторые методы определения ускорения описаны ниже:

1. Пьезорезистивные акселерометры – В акселерометрах этого типа контрольная масса крепится к пьезорезистору. Резистор подключен к считывающей электронной схеме. При смещении пробной массы сопротивление пьезорезистора изменяется пропорционально приложенной силе. Эти типы акселерометров являются первыми, которые начали массовое производство. Самым большим недостатком акселерометров этого типа является их термическая стабильность. Пейзосопротивление может существенно измениться из-за тепловых шумов и привести к ложным срабатываниям.

   Пример, показывающий принцип работы пьезорезистивных акселерометров

2. Емкостные акселерометры – В емкостных акселерометрах к контрольной массе присоединяются емкостные чувствительные пальцы, которые перемещаются вдоль заданной оси со смещением контрольной массы. Каждая подвижная пластина помещается между двумя электродами. При наличии ускорения контрольная масса смещается в сторону, противоположную направлению движения, а переменная пластина перемещается вдоль контрольной массы. Изменение положения переменной пластины вдоль оси вызывает изменение ее расстояния с пластинами неподвижного электрода и вызывает симметричное изменение емкости. Затем это измеряется как электрическая мощность с помощью считывающей электроники. Емкостные акселерометры термически стабильны, но подвержены электромагнитным помехам, где они могут давать ложные результаты из-за паразитной емкости.

   Пример, показывающий принцип работы емкостных акселерометров

3. Пьезоэлектрические акселерометры – В большинстве макроскопических акселерометров используются пьезоэлектрические материалы для обнаружения движения контрольной массы. Многие микромашинные акселерометры также используют тот же принцип. Эти акселерометры имеют большую полосу пропускания, но имеют чрезвычайно низкую резонансную частоту из-за токов утечки. Пьезоэлектрический материал генерирует электрические сигналы, пропорциональные смещению контрольной массы по заданной оси.

   Пример, показывающий принцип работы пьезоэлектрических акселерометров

4. Туннельные акселерометры – Эти типы акселерометров используют туннельный ток для измерения смещения контрольной массы. Туннельный ток между острым наконечником и электродом изменяется экспоненциально в зависимости от расстояния между наконечником и электродом. Следующее уравнение дает туннельный ток:

I = I ₀ * exp(-ᵦ√(φz))

Пример, показывающий принцип работы туннельных акселерометров

Где
I — туннельный ток между наконечником и электродом,
I ₀ — ток масштабирования в зависимости от используемого материала,
ᵦ — коэффициент преобразования,
φ — высота туннельного барьера в эВ,
и z — наконечник-электрод расстояние.

5. Резонансные акселерометры – В резонансных акселерометрах контрольная масса прикреплена к резонатору. Перемещение пробной массы изменяет деформацию резонатора и, следовательно, его резонансную частоту. Изменение частоты преобразуется в цифровые электрические сигналы с помощью схемы частотомера. Эти акселерометры совершенно невосприимчивы к шуму и очень надежны, поскольку изменения частоты могут быть напрямую преобразованы в цифровой формат.

   Пример, показывающий принцип работы резонансных акселерометров

6. Оптические акселерометры – В этих акселерометрах используются оптические волокна и волноводы, прикрепленные к контрольной массе. Однако волоконно-оптические акселерометры не подходят для серийного производства, так как волокно необходимо устанавливать вручную рядом с контрольной массой в узле датчика. Другой тип оптических акселерометров использует светодиодные и контактные фотодетекторы для измерения смещения контрольной массы. Преимущество оптических акселерометров в том, что они свободны от электростатических и электромагнитных помех. Но поскольку они обычно включают сложную схему сборки и считывания, они не пользуются большой популярностью.

   Пример, демонстрирующий принцип работы оптических акселерометров

Гироскопы
Гироскоп измеряет вращение объекта. В гироскопах MEMS используется принцип силы Кориолиса. Когда масса движется во вращающейся системе, на нее действует сила, перпендикулярная оси вращения и направлению движения. Это называется силой Кориолиса. Гироскоп MEMS состоит из механической конструкции, которая приводится в резонанс благодаря силе Кориолиса и возбуждает вторичные колебания в той же самой или вторичной структуре. Вторичное колебание пропорционально вращению конструкции вокруг заданной оси. Сила Кориолиса имеет относительно небольшую амплитуду по сравнению с ее движущей силой. Вот почему все гироскопы MEMS используют вибрирующую структуру, в которой используется явление силы Кориолиса.

Пример, показывающий принцип работы МЭМС-гироскопа

Вибрирующая конструкция состоит из пробной массы, соединенной с внутренней рамой парой пружин. Внутренняя рама соединена с внешней рамой другим набором ортогональных пружин. Между внутренней рамой и внешней рамой расположены емкостные сенсорные пальцы, прикрепленные вдоль ортогональных пружин. Сила Кориолиса пропорциональна как угловой скорости вращающегося объекта, так и скорости объекта по направлению к оси вращения или от нее. Контрольная масса непрерывно приводится в движение синусоидально вдоль внутренних пружин. Когда система испытывает вращение, резонирующая пробная масса испытывает силу Кориолиса вдоль ортогональных пружин, прикрепленных между внутренней и внешней рамой. Это изменяет расстояние между емкостными сенсорными пальцами и, таким образом, выдает электрический сигнал, пропорциональный силе Кориолиса. Поскольку сила Кориолиса пропорциональна угловой скорости, связанный с ней электрический сигнал также пропорционален угловой скорости системы.