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MEMS加速度传感器在医疗可穿戴设备上的应用
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MEMS加速度传感器在医疗可穿戴设备上的应用

2020-07-15 15:25:26 来源:电子发烧友网 点击:878

【大比特导读】此外,3轴加速度传感器还可用于电子计步器,人在走动的时候会产生一定规律性的振动,而加速度传感器可以检测振动的过零点,从而计算出人所走的步或跑步所走的步数,从而计算出人所移动的位移。并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

加速度传感器有两种:一种是角加速度传感器,是由陀螺仪改进过来的。另一种就是线加速度传感器。它也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。

现在,加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。下面就举例几种应用场景,更好的认识加速度传感器。

三轴加速度传感器的应用

1、车身安全、控制及导航系统中的应用

加速度传感器已被广泛应用于汽车电子领域,主要集中在车身操控、安全系统和导航,典型的应用如汽车安全气囊(Airbag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)、电控悬挂系统等。

传感器

目前车身安全越来越得到人们的重视,汽车中安全气囊的数量越来越多,相应对传感器的要求也越来越严格。整个气囊控制系统包括车身外的冲击传感器(Satellite Sensor)、安置于车门、车顶,和前后座等位置的加速度传感器(G-Sensor)、电子控制器,以及安全气囊等。电子控制器通常为16位或32位MCU,当车身受到撞击时,冲击传感器会在几微秒内将信号发送至该电子控制器。

随后电子控制器会立即根据碰撞的强度、乘客数量及座椅/安全带的位置等参数,配合分布在整个车厢的传感器传回的数据进行计算和做出相应评估,并在最短的时间内通过电爆驱动器(Squib Driver)启动安全气囊保证乘客的生命安全。

通常仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。该场合下电子稳定性控制系统 (ESC) 就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向,来控制车辆使其不偏离道路。该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角,同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对,从而调整车辆转向以防止发生侧滑。

除了车身安全系统这类重要应用以外,目前加速度传感器在导航系统中的也在扮演重要角色。其主要利于GPS卫星信号实现定位。而当进入卫星信号接收不良的区域或环境中,如遂道、高楼林立、丛林地带,就会因失去信号而丧失导航功能。基于MEMS技术的3轴加速度传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统(DR, Dead Reckoning),对GPS系统实现互补性应用。

2、硬盘抗冲击防护

目前由于海量数据对存储方面的需求,硬盘和光驱等元器件被广泛应用到笔记本电脑、手机、数码相机/摄相机、便携式DVD机、PMP等设备中。便携式设备由于其应用场合的原因,经常会意外跌落或受到碰撞,而造成对内部元器件的巨大冲击。

为了使设备以及其中数据免受损伤,越来越多的用户对便携式设备的抗冲击能力提出要求。

一般便携式产品的跌落高度为1.2~1.3米,其在撞击大理石质地面时会受到约50KG的冲击力,硬盘等高速旋转的器件却在此类冲击下显得十分脆弱。

如果在硬盘中内置3轴加速度传感器,当跌落发生时,系统会检测到加速的突然变化,并执行相应的自我保护操作,如关闭抗震性能差的电子或机械器件,让磁头复位,以减少硬盘的受损程度。

3、消费产品中的创新应用

3轴加速度传感器为传统消费及手持电子设备实现了革命性的创新空间。其可被安装在游戏机手柄上,作为用户动作采集器来感知其手臂前后、左右,和上下等的移动动作,并在游戏中转化为虚拟的场景动作如挥拳、挥球拍、跳跃、甩鱼竿等,把过去单纯的手指运动变成真正的肢体和身体的运动,实现比以往按键操作所不能实现的临场游戏感和参与感。

此外,3轴加速度传感器还可用于电子计步器,人在走动的时候会产生一定规律性的振动,而加速度传感器可以检测振动的过零点,从而计算出人所走的步或跑步所走的步数,从而计算出人所移动的位移。并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

为电子罗盘(3D Compass)提供补偿功能,如果不带倾斜校正的电子指南针,需要用户水平放置。而利用加速度传感器可以测量倾角的这一原理,可以对电子指南针的倾斜进行补偿。

也可用于数码相机的防抖,检测手持设备的振动/晃动幅度,当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门,使所拍摄的图像永远是清晰的。

3轴加速度传感器的应用范围很广, 还能用于手持设备的姿态识别和UI操作。例如借助3轴加速度传感器,手持设备可实现画面自动转向。

设备显示的画面和信息会根据用户的动作而自动旋转。其通过内部传感器对重力向量的方向检测来确定设备处于水平或垂直状态,并自动调整显示状态,给用户带来方便。

4、趣味性扩展功能

3轴加速度传感器对用户操控动作的转变还可转化为许多趣味性的扩展功能上,如虚拟乐器、虚拟骰子游戏,以及“闪讯”(Wave Message)等。

虚拟乐器内置的加速度传感器可检测用户对手持设备的挥动来控制乐器的节奏和音量等;骰子游戏也采用类似的原理,通过对挥动等动作的感知来控制虚拟骰子的旋转速度,并借助内部数学模型抽象的物理定律决定其停止的时间。

“闪讯”是一个更富有想象力的应用,用户可利用此功能在空中进行文字编辑。“闪讯”即让手持设备通过加速度传感器捕捉用户在空中模拟写字的快速动作,主要适合较暗的环境下使用。手持设备上会安装发光的LED,由于人眼视网膜的视觉暂留现象,其在空中挥动的动作会在其眼中留下短暂的连续画面,完成写字的所有动作笔顺。

随着MEMS微电子机械系统技术在传感器领域中的广泛应用,使得加速度传感器的体积变得更加轻便、性能得到明显提升。

MEMS加速度传感器在医疗可穿戴设备上的应用

随着可穿戴智能设备的发展,特别是医疗可穿戴智能设备,主要依靠的是微型化的各种MEMS陀螺仪、加速度传感器等的运用,用来检测到穿戴者的身体各项信息。例如, MEMS传感器在无创胎心检测中的应用。

检测胎儿心率是一项技术性很强的工作,由于胎儿心率很快,在每分钟l20~160次之间,用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪,用人工计数很难测量准确。此外,超声振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不利作用尽管检测剂量很低,也属于有损探测范畴,不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。

这时,MEMS加速度传感器,便可以提供一种无创胎心检测方法,研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。

通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号,经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理,用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理,最后输出处理结果。

加速度传感器的其他应用

高压导线舞动的监测

目前国内对导线舞动监测多采用视频图像采集和运动加速度测量两种主要技术方案。前者在野外高温、高湿、严寒、浓雾、沙尘等天气条件下,不仅对视频设备的可靠性、稳定性要求很高,而且拍摄的视频图像的效果也会受到影响,在实际使用中只能作为辅助监测手段,无法定量分析导线运动参数;而采用加速度传感器监测导线舞动情况,可定量分析输电导线某一点上下振动和左右摆动的情况,能测出导线直线运动的振幅和频率。

新型地震加速度传感器

采用传感器和控制系统一体化的设计,传感器采用低功耗微型电子电容式加速度传感器,控制系统使用嵌入式系统,配置了数据采集、电源、授时、通信等模块,具备有线、无线的多种通信功能,可以在室内外进行大量的布设,通过多种方式联网,可及时将数据传回处理中心进行实时处理。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。各国竞相加速新一代传感器的开发和产业化, 新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,加速度传感器市场作为其中重要的一种类型, 也将得到更广泛的应用!

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