Die Technologie in der Unterhaltungselektronik wächst jedes Jahr schneller. Dadurch sind die Menschen sich immer mehr bewusst geworden, wie ihnen Technologie helfen kann. Ein beliebtes Gerät, das stark im Trend ist, ist der Beschleunigungssensor und der Kreiselsensor. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind der entscheidende Bestandteil dieser Geräte. Sie bieten dem Benutzer eine neue Möglichkeit, mit seinem Gerät zu interagieren. Sie erfassen auch die Bewegung des Geräts und ermöglichen neue Formen der Interaktion.
Diese Geräte sind nützlich für den Verbraucher- und Industriemarkt. Dazu gehören die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Hier können MEMS die Bewegung in Autos, Schiffen und Flugzeugen erfassen. Wir können diese Sensoren auch verwenden, um Geschwindigkeit und Richtung zu bestimmen. Das erhöht die Gesamteffizienz dieser Produkte. MEMS sind hilfreich in Airbag-Steuergeräten, Seitenairbags und Sitzbelegungssensoren. Auch in intelligenten Geschwindigkeitsreglern in der Automobilindustrie sind Beschleunigungssensoren und Kreiselsensoren nützlich. Ein Beschleunigungssensor und ein Kreiselsensor sind auch in Videospielkonsolen von Vorteil. Dies ist ein Beispiel für Unterhaltungselektronik. Ein Mikrochip verarbeitet die Informationen, die von diesem Gerät geliefert werden, bevor er sie an die Konsole oder eine Gaming-Plattform sendet.
Was ist ein Beschleunigungssensor?
Ein Beschleunigungssensor ist ein Gerät, das die Beschleunigung eines frei fallenden Objekts erkennt. Er besteht aus einer Masse, einer Feder und einer Verbindung. Die Masse ist von der Verbindung aufgehängt, so dass sie sich von ihrer Ruheposition entfernen kann. Wenn sich das Objekt vertikal beschleunigt, bewegt sich die aufgehängte Masse in die entgegengesetzte Richtung. Die Verschiebung dieser Masse misst, wie viel Beschleunigung das Objekt erfährt.
Der Beschleunigungssensor funktioniert, indem er die Beschleunigung eines Objekts erkennt. Wir können Beschleunigungssensoren in vielen verschiedenen Anwendungen verwenden. In der Natur wird er normalerweise verwendet, da einige Organismen ihn verwenden, um die Schwerkraft oder die Erdanziehungskraft zu erkennen. Einige wissenschaftliche Einrichtungen verwenden sie, um Drehgeschwindigkeiten und kosmische Beschleunigungen zu messen. Einige Kräfte sorgen dafür, dass diese Geräte funktionieren. Dazu gehören Gyroskope, Inertiale Vektorindikatoren (IVI), MEMS und Magnetometer.
Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?
Ein Objekt fällt frei und bewegt sich aufgrund der Schwerkraft nach unten. Nach einer bestimmten Zeit erreicht das Objekt eine bestimmte Geschwindigkeit (abhängig vom Gewicht des Objekts). Die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft entspricht g. Eine physikalische Kraft wirkt dann auf die Masse, wodurch sie abgebremst wird. Ein Beschleunigungssensor beobachtet die Verzögerung. Er misst die Änderung des Impulses, die durch diese Kraft verursacht wird. Diese Kraft ändert sich, wenn eine Beschleunigungskraft auf sie wirkt.
Piezoelektrischer Effekt:
Ein Beschleunigungssensor funktioniert auch mit dem piezoelektrischen Effekt. Ein Kristall mit gebundenen Atomen erzeugt beim Zusammendrücken eine elektrische Ladung. Wenn man ihn zusammendrückt, erzeugt er eine Spannung. Die Verbindung dieses Geräts führt dann dazu, dass es als Beschleunigungssensor funktioniert.
Magnetowiderstandseffekt:
Ein Beschleunigungssensor besteht auch aus einem Magnetowiderstandseffekt. Er erkennt ein kleines Magnetfeld. So erfasst er die Beschleunigung durch magnetische Kräfte.
Änderung der Kapazität:
In bestimmten Anwendungen funktioniert ein Beschleunigungsssensor, indem er Änderungen der Kapazität misst. Er erfährt also eine Änderung der Kapazität, wenn er frei fällt. Es sind 2 Kondensatorplatten vorhanden. Ein Spulenkondensator und ein Kondensator verbinden sie. Das Gerät beobachtet die Änderung der Kapazität. Wir können es verwenden, um festzustellen, dass ein Objekt fällt.
MEMS-Beschleunigungssensoren
Beschleunigungssensoren basieren auf anderen Betriebsprinzipien. Wir verwenden sie in der Unterhaltungselektronik, der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Der Beschleunigungssensor ist eines der beliebtesten MEMS-Geräte. Wir können ihn verwenden, um Vibrationen, Stöße und kleine Änderungen in der Ausrichtung eines Objekts zu erfassen. Es ist auch ein sehr effizientes Gerät, da es wenig Strom verbraucht, wenn es verwendet wird. Sie können es also lange Zeit eingeschaltet lassen, ohne die Batterien des Geräts zu entladen.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind der Schlüsselelement von Beschleunigungssensoren. Sie messen Beschleunigung, Rotation und Vibration. Die Beschleunigung messen wir anhand der Positionsänderung einer Nachweismasse. Die Nachweismasse befindet sich zusammen mit einer Resonanzstruktur.
Der am weitesten verbreitete Typ von Beschleunigungssensor ist der kapazitive elektromechanische Sensor. Deshalb bezeichnen wir ihn auch als Beschleunigungssensor.
Beschleunigungssensoren bestehen in der Regel aus einem Sensorchip und einem integrierten Schaltkreis. Er hat Kondensatoren, Induktoren und Resonatoren (abgestimmte Schaltungen mit Resonanzfrequenzen).
Der Sensorchip kann herkömmliche CMOS-, siliziumbasierte CMOS-Technologie oder andere Prozesse sein.
Das Gerät verwendet die Effekte des piezoelektrischen Effekts, um die Beschleunigung zu messen. Es beobachtet die Änderung der Kapazität.
Anwendungen von Beschleunigungssensoren
Beschleunigungssensoren verwenden wir in verschiedenen Anwendungen, darunter:
1. Kompass-/Kartenanwendungen:
In GPS-Navigationssystemen verwenden wir Beschleunigungssensoren, um festzustellen, ob sich das Gerät bewegt. Es erkennt auch in welche Richtung es sich bewegt. Mit der Axis-basierten Erfassung können Telefone und Tablets ihre Ausrichtung und Richtung bestimmen.
2. Neigungserkennung:
Mit einem Gyroskop können wir mithilfe eines Beschleunigungssensors die Ausrichtung eines Geräts erkennen. Zum Beispiel verwendet das iPhone einen Beschleunigungssensor und ein Gyroskop. Es erkennt zuerst, wenn der Benutzer das Telefon vom Hoch- in den Querformatmodus dreht. Dann ändert es entsprechend die Anwendungen.
3. Erdbebenerkennung:
Wir verwenden Beschleunigungssensoren, um ein Erdbeben zu erkennen. Es bestimmt auch die Magnitude der Bewegung.
4. Sturzerkennung:
Wir verwenden Beschleunigungssensoren in fortschrittlichen persönlichen Schutzsystemen. Sie erkennen einen Sturz und lösen lebensrettende Technologien aus, z. B. Airbags und Sicherheitsgurte.
5. Medizinische Geräte:
Wir verwenden Beschleunigungssensoren, um die momentane Blutkreislaufgeschwindigkeit zu erkennen. Sie liefern auch wichtige Informationen über den Zustand eines Patienten. Künstliche Körperteile wie Herzklappen und Hüften haben auch Beschleunigungssensoren. Sie helfen dabei, Bewegungen um die Prothese herum zu erkennen.
6. Fitness-Tracker/Wearables:
Beschleunigungssensoren erkennen körperliche Aktivität. Damit kann er beispielsweise erkennen, ob der Benutzer geht, rennt oder Fahrrad fährt.
7. Spiele und Anwendungen:
Wir verwenden Beschleunigungssensoren, um subtile Bewegungen während eines Spiels zu erkennen. Zum Beispiel die Reaktionszeit eines Joystick-Controllers.
8. Anwendungen im Auto:
Beschleunigungssensoren erkennen, ob der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verliert. Dann löst er eine entsprechende Sicherheitsmaßnahme aus.
Was ist ein Gyroskop?
Ein Gyroskop ist ein Gerät, das seine natürliche Trägheit nutzt, um die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts zu messen. Wir betrachten es als mechanischen Effekt. Wir verwenden Gyroskope in der Geophysik, der Raumforschung und verschiedenen elektronischen Anwendungen.
Wie funktioniert ein Gyroskop?
Ein Gyroskop besteht aus zwei Hauptteilen:
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Ein Paar gewichteter Ringe, die Gyros genannt werden.
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Ein Winkelgeschwindigkeitssensor (normalerweise Magnetometer genannt), den wir nicht verwenden.
Es funktioniert durch den Präzessionseffekt, wenn ein Gyroskop um eine seiner Achsen rotiert. In einer Gleichgewichtsposition kann es den Rotationswinkel nicht erkennen. Aber nach seiner Rotation wird es auf die Achse zeigen, auf der es platziert wurde.
In diesem Fall wirkt eine Trägheitskraft auf das Gyroskop. Da der Drehimpuls konstant bleibt, geht mit dieser Bewegung zusätzliche kinetische Energie einher. Diese Kraft lässt das Gyroskop rückwärts gehen. Da mit dem Gyroskop nichts passiert, nennen wir dies die Präzession. Ein weiterer Präzessionseffekt besteht darin, dass ein Gyroskop jede Änderung seines Drehimpulses widersteht, bis man ein Drehmoment anwendet.
Die Rotationsgeschwindigkeit eines Trägheitssystems kann die Drehgeschwindigkeit eines sich beschleunigenden Körpers messen. Dies geschieht durch das Äquivalenzprinzip von Einstein oder das Newtonsche Trägheitsgesetz.
Anwendungen
Wir verwenden Gyroskope hauptsächlich für Navigation, Flugsteuerung und Navigation in der Raumfahrt. Sie sind jedoch auch für medizinische Geräte hilfreich. Ein Beispiel hierfür sind Herzmonitore und andere medizinische Geräte. Kernspinresonanzspektrometer (NMR) verwenden ebenfalls Gyroskope zur Bewegungserkennung.
MEMS-Gyroskop
Das MEMS-Gyroskop ist auch als Mikroelektronik-Mechanik-System (MEMS) -Gyroskop bekannt. Wir verwenden das MEMS-Modul in Smartphones und Kameras.
Wir verwenden Gyroskope in Smartphones, um eine Bildstabilisierung zu ermöglichen. Sie helfen, klare Bilder beim Aufnehmen von Videos zu erfassen.
Wir verwenden sie auch in Drohnen, die die MEMS-Technologie verwenden. Selbst wenn die Drohne nicht unter direkter menschlicher Kontrolle steht, ermöglichen sie die Flugsteuerung.
MEMS-Gyroskope sind kleine miniaturisierte Sensoren. Sie verwenden Siliziumchips, MEMS und fortschrittliche Verarbeitungstechnologien, um eine hohe Präzision zu erreichen. Wir verwenden sie in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Gyroskopen, Kameras und Navigationssystemen.
Anwendungen von Gyroskopen
Früher haben wir MEMS-Gyroskope in Navigationsystemen von Missionen verwendet. Allerdings erweitert sich die Anwendung. Einige der bemerkenswerten sind:
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Consumer Electronics mit MEMS-Gyroskopen:
Die Nachfrage nach MEMS steigt in der Unterhaltungselektronik, insbesondere in Smartphones und Tablets.
Denn die meisten Smartphones und Tablets haben heute ein 3-Achsen-Gyroskop.
Gyroskope können erkennen, ob ein Gerät zu viel bewegt wird. Wenn es einen schweren Fall auf den Boden erkennt, wird es über GPS Rettungsdienste anrufen.
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Inertiale Führungssysteme
Inertiale Führungssysteme sind wichtig bei Raketen, Raumfahrzeugen und UAVs.
Das Inertiale Führungssystem kann Position und Ausrichtung im Raum bestimmen.
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Flugzeuge mit MEMS-Gyroskopen:
Ein 3-Achsen-MEMS-Modul ist eine wesentliche Komponente. Es ermöglicht die Rollachse eines fly-by-wire (FBW) Flugsteuersystems. Diese Technologie ermöglicht es Piloten, ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen.
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Stabilität in Fahrzeugen, Motorrädern, Schiffen:
MEMS-Gyroskope können die laterale und longitudinale Stabilitätseigenschaften des Fahrzeugs bestimmen. Sie können den Zustand des Fahrzeugschassis bewerten. Wir verwenden sie auch in der Stabilität von Automobilen. Zum Beispiel bestimmt es, ob das Auto das Gleichgewicht verliert oder instabil ist, während es auf einer kurvigen Straße fährt.
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Raumstationen:
MEMS-Gyroskope und Beschleunigungssensoren helfen bei der Bestimmung der Ausrichtung, Geschwindigkeit und Richtung der Raumstation.
Auswahl eines Beschleunigungssensors
Beschleunigungssensoren helfen bei Bewegungserfassungssystemen, Gamecontrollern und Kinect. Sie können alle Änderungen in der Bewegung messen. Das tun sie, indem sie die Änderungen der Beschleunigung messen, die durch auf das Gerät angewendete Kräfte verursacht werden.
Beschleunigungssensoren können die Beschleunigung durch die Schwerkraft messen, was auch zur Erkennung der Schwerkraft verwendet werden kann. Der Beschleunigungssensor kann auch statische Kräfte wie nach unten oder nach oben gerichtete Kräfte messen. Dynamische Kräfte wie Bewegung und zeitliche Bewegung kann er jedoch nicht erkennen. Um einen guten Beschleunigungssensor zu finden, müssen Sie folgendes beachten:
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Bereich:
Beschleunigungssensoren können Beschleunigungen bis zu 5000 G messen. Wenn Sie also Beschleunigungen mit hoher Präzision messen möchten, ist es besser, einen Beschleunigungssensor mit einem hohen Bereich zu wählen. Dazu gehören Beschleunigungssensoren mit einem Bereich von 2 G oder mehr.
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Schnittstelle:
Beschleunigungssensoren können digital oder analog angeschlossen werden. Aber um die beste Leistung zu erzielen, ist es besser, einen Beschleunigungssensor mit digitalem Interface zu wählen.
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Empfindlichkeit:
Die Empfindlichkeit eines Beschleunigungssensors ist die Menge an vertikaler Kraft, die er pro Änderung der Beschleunigung messen kann. Leider ist sie auch mit niedriger Empfindlichkeit verbunden. Sie messen sie also nicht genau, wenn Sie mit konstanter Geschwindigkeit beschleunigen.
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Achsen:
Es gibt zwei Arten von Beschleunigungssensoren, nämlich zwei oder drei Achsen.
Die häufigste Art von Beschleunigungssensor, die heute verwendet wird, ist diejenige, die nur eine Achse hat. Sie ähnelt einem Miniatur-3-Achsen-Beschleunigungssensor. Wenn Sie Beschleunigung mit hoher Präzision messen möchten, sollten Sie den miniaturisierten 3-Achsen-Beschleunigungssensor wählen. Diese Art von Beschleunigungssensor ist jedoch nur bei wenigen Geräten verfügbar. Sie sind schwer herzustellen.
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Leistung:
Das Gewicht des Geräts und die Größe der Leiterplatte beeinflussen die Leistungsempfindlichkeit und den Stromverbrauch. Bevor Sie sich für einen beliebigen Beschleunigungssensor entscheiden, müssen Sie diese Faktoren berücksichtigen.
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Verwendungszweck:
Es ist auch wichtig zu verstehen, wie man den Beschleunigungssensor im Gerät verwendet.
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Kosten:
Bevor Sie sich für einen Beschleunigungssensor für Ihr Projekt entscheiden, sollten Sie auch die Kosten berücksichtigen. Sie sollten wissen, dass Sie anstelle von Beschleunigungssensoren auch Richter- oder Kippkontakte verwenden können, wenn Sie die Beschleunigung mit kleinem Budget messen möchten.
Auswahl eines Gyroskops
Gyroskope helfen in Geräten wie Fahrzeugen, Kameras und Drohnen. Wir verwenden sie, um die Stabilität eines Geräts zu verbessern und die Geschwindigkeit zu messen.
Sie müssen Ihr Gyroskop sorgfältig auswählen, da nicht alle die gleichen Anforderungen haben. Es gibt also kein universell passendes Gyroskop. Dies macht es umso schwieriger für Sie, wenn Sie keine Vorinformationen darüber haben.
Dies sind die Faktoren, die Sie bei der Auswahl eines geeigneten Gyroskops berücksichtigen sollten:
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Bereich:
Gyroskope können eine Drehgeschwindigkeit bis zu 2000 Grad pro Sekunde messen. Deshalb sollten Sie eines mit einem hohen Bereich wählen, wie z.B. ein Gyroskop mit einer Drehgeschwindigkeit von 2000 Grad pro Sekunde oder mehr.
Der Bereich beeinflusst die Menge der Informationen, die Sie vom Gyroskop erhalten können. Daher sollten Sie eines wählen, das für Ihr Projekt den höchstmöglichen Bereich aufweist.
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Digital vs. Analog:
Digitale Gyroskope sind teurer als analoge. Aber sie sind einfacher zu handhaben und liefern genauere Ergebnisse. Um eine gute Leistung zu erzielen, sollten Sie also ein analoges Gyroskop gegenüber einem digitalen wählen.
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Umwandlungsverhältnis:
Das Umwandlungsverhältnis eines analogen Gyroskops bezieht sich auf die Genauigkeit der gemessenen Geschwindigkeit in Grad pro Sekunde. Eine genaue Geschwindigkeitsmessung ist wesentlich besser als eine ungenaue. Wählen Sie also ein Gyroskop mit dem höchstmöglichen Umwandlungsverhältnis. Die Parameter, die die Genauigkeit eines Gyroskops beeinflussen, sind Bereich, Konvertierungsrate und Temperaturkoeffizient. Sie müssen also beachtet werden, wenn Sie eines für Ihr Projekt auswählen.
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Anzahl der Achsen:
Es gibt zwei Arten von Gyroskopen, nämlich ein- oder zweiaxiale Gyroskope. Ein einachsiges Gyroskop ist geeignet, um die Drehgeschwindigkeit um eine einzelne Achse zu messen. Wir können es für Anwendungen wie Stabilisierung verwenden. Auf der anderen Seite ist ein zweiachsiges Gyroskop in Navigation oder Flugregelung unverzichtbar. Daher ist die Wahl eines zweiaxigen Gyroskops gegenüber dem einachsigen Typ besser.
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Leistung:
Gyroskope verbrauchen viel Strom. Wenn Sie also die Dre
