na 2026/01/15 2,144

Akcelerometr Průvodce: Jak to funguje, typy, specifikace a použití

Akcelerometr je malý senzor, který vám pomáhá měřit pohyb, vibrace, náklon a účinek gravitace.V tomto článku se dozvíte, co je akcelerometr, jak detekuje zrychlení pomocí vnitřních snímacích prvků a klíčové specifikace, které definují jeho výkon.Prozkoumáte také různé typy akcelerometrů založených na technologii snímání, měřicích osách a výstupních signálech.Zahrnuty jsou také běžné aplikace a přehledná srovnání s jinými snímači pohybu.

Katalog

Obrázek 1. Akcelerometry

Co je akcelerometr?

Akcelerometr je kompaktní elektronický snímač určený k detekci změn pohybu a orientace pomocí snímání sil zrychlení.Reaguje na stálé i měnící se síly působící na objekt, včetně pohybu a gravitačních účinků.Akcelerometry se vyrábějí v různých fyzických formách, od miniaturních zařízení na úrovni čipů až po robustní průmyslová pouzdra.Jejich výstup poskytuje měřitelná data, která mohou být interpretována elektronickými obvody nebo digitálními systémy.

Princip činnosti akcelerometru

Obrázek 2. Princip činnosti akcelerometru

Akcelerometr funguje tak, že snímá pohyb zkušební hmoty, když zařízení zaznamená zrychlení.Za stacionárních podmínek zůstává důkazní hmota ve své rovnovážné poloze.Když je aplikováno zrychlení, setrvačnost zkušební hmoty způsobí, že se pohybuje vzhledem k rámu snímače.Obrázek 2 znázorňuje tento provozní princip.Jak zrychlení působí na snímač, zavěšená hmota se vychyluje proti vratné síle pružiny.Velikost posunutí přímo souvisí s velikostí a směrem působícího zrychlení.

Toto mechanické posunutí je detekováno snímacím prvkem, který převádí pohyb zkušební hmoty na měřitelnou elektrickou změnu.V závislosti na metodě snímání se tato změna může jevit jako změna kapacity, odporu nebo generovaného náboje.Snímací obvod zpracuje tuto změnu a vytvoří elektrický signál, který je úměrný použitému zrychlení.

Specifikace akcelerometrů

Specifikace	Popis
Měření Rozsah	Běžné rozsahy jsou ±2 g, ±4 g, ±8 g, ±16 g a až ±200 g
Citlivost	Typické citlivost je 1 mV na g až 1000 mV na g
Rozlišení	Rozlišení se pohybuje od 8 bitů do 24 bitů v závislosti na typu ADC
Typ výstupu	K dispozici jako analogové napětí nebo digitální I2C a SPI
Osa Měření	Jedna osa, dvouosé nebo tříosé snímání
Šířka pásma	Frekvence šířka pásma se pohybuje od 10 Hz do 5000 Hz
Frekvence Odezva	Plochá odezva v rozsahu jmenovité šířky pásma
Hustota hluku	Typický hluk hustota je 20 µg na √Hz až 300 µg na √Hz
Posun nuly g	Chyba offsetu je typicky ±20 mg až ±100 mg
Linearita	Linearita chyba je menší než ±0,5 procenta plného rozsahu
Křížová osa Citlivost	Křížová osa citlivost pod 2 procenta
Provozní Napětí	Zásobování napětí se pohybuje od 1,8V do 5,5V
Aktuální Spotřeba	Nízký výkon modely spotřebují 1 µA až 500 µA
Provozní Teplota	Standardní rozsah je -40 °C až +85 °C
Šok Přežití	Šok tolerance se pohybuje od 2000 g do 10000 g
Výstupní data sazba	Rychlost přenosu dat se pohybuje od 1 Hz do 10 kHz
Rozhraní Protokol	Digitální typy podpora I2C, SPI nebo UART
Typ balíčku	Společný balíčky zahrnují LGA, QFN a DIP
Velikost	Typické velikost snímače je 2 mm × 2 mm až 5 mm × 5 mm
Kalibrace	Továrna kalibrováno pro citlivost a offset
Typ montáže	Povrchová montáž nebo montáž do otvoru
Přesnost	Celkově vzato přesnost je obvykle ±1 procento až ±5 procent
Unášení	Teplota drift je menší než 0,01 g na °C
Doba odezvy	Doba odezvy je pod 1 ms
EMI Odpor	Navrženo pro odolávat průmyslovému elektromagnetickému šumu

Typy akcelerometrů založených na technologii snímání

Kapacitní akcelerometry

Obrázek 3. Kapacitní akcelerometr

Kapacitní akcelerometry spoléhají na změny kapacity způsobené pohybem zkušební hmoty v mikroměřítku uvnitř struktury senzoru.Jejich konstrukce umožňuje přesnou detekci malých změn zrychlení s vynikající opakovatelností.Tyto akcelerometry jsou vhodné pro nízkofrekvenční a statická měření, jako je náklon a orientace.Jejich kompaktní velikost a nízká spotřeba energie je činí ideálními pro vestavěné a přenosné elektronické systémy.

Piezoelektrické akcelerometry

Obrázek 4. Piezoelektrický akcelerometr

Piezoelektrické akcelerometry generují elektrický signál, když jsou vystaveny mechanickému namáhání vyvolanému zrychlením.Jsou zvláště účinné při zachycení rychlého pohybu a vysokofrekvenčních vibrací s minimálním zkreslením signálu.Vzhledem ke svému principu činnosti nereagují na konstantní nebo velmi pomalu se měnící zrychlení.Tyto senzory jsou široce používány v prostředích, kde je důležitá analýza vibrací a dynamická odezva.

Piezorezistivní akcelerometry

Obrázek 5. Piezorezistivní akcelerometr

Piezorezistivní akcelerometry detekují zrychlení sledováním změn odporu v namáhaných snímacích prvcích.Jejich robustní konstrukce jim umožňuje odolávat silným mechanickým rázům a drsným provozním podmínkám.Na rozdíl od některých jiných technologií mohou spolehlivě fungovat v širokém rozsahu teplot.Díky tomu jsou vhodné pro náročné aplikace, kde je potřeba trvanlivost a odolnost proti nárazu.

Typy akcelerometrů na základě osového měření

Jednoosé akcelerometry

Obrázek 6. Jednoosý akcelerometr

Jednoosé akcelerometry měří zrychlení v jednom pevném směru.Obvykle se používají tam, kde je pohyb omezen na známou orientaci nebo lineární dráhu.Jejich jednoduchý design je činí nákladově efektivními a snadno se integrují.Tyto senzory jsou často vybírány pro jednoduché monitorovací úlohy s minimální směrovou složitostí.

Dvouosé akcelerometry

Obrázek 7. Dvouosý akcelerometr

Dvouosé akcelerometry měří zrychlení ve dvou kolmých směrech ve stejné rovině.Tato schopnost umožňuje detekci kombinovaných pohybů, jako je náklon a rovinný pohyb.Nabízejí více prostorových informací než jednoosé senzory při zachování relativně jednoduchého zpracování signálu.Dvouosé konstrukce se běžně používají tam, kde je dostatečné dvourozměrné sledování pohybu.

Tříosé (3-osé) akcelerometry

Obrázek 8. Tříosý (3osý) akcelerometr

Tříosé akcelerometry měří zrychlení současně ve třech ortogonálních osách.To umožňuje kompletní prostorovou detekci pohybu bez ohledu na orientaci senzoru.Zjednodušují návrh systému tím, že eliminují potřebu více jednoosých senzorů.Tříosé akcelerometry se používají v aplikacích vyžadujících plné povědomí o pohybu a sledování orientace.

Typy akcelerometrů podle typu výstupu

Analogové akcelerometry

Analogové akcelerometry produkují spojitý napěťový signál, který se mění přímo se zrychlením.Tento výstup umožňuje monitorování s minimálním vnitřním zpracováním.Kvalitu signálu však může ovlivnit vnější elektrický šum a dlouhé kabely.V přesných aplikacích je často vyžadována pečlivá úprava signálu.

Digitální akcelerometry

Digitální akcelerometry poskytují data o zrychlení v digitálním formátu pomocí standardizovaných komunikačních protokolů.To snižuje náchylnost k šumu a zjednodušuje přenos dat na delší vzdálenosti.Mnoho digitálních akcelerometrů obsahuje funkce vnitřního filtrování a kalibrace.Díky strukturovanému výstupu jsou vhodné pro přímou integraci s digitálními řídicími systémy.

Aplikace akcelerometrů

1. Spotřební elektronika

Akcelerometry se používají v chytrých telefonech a nositelných zařízeních k detekci pohybu a orientace zařízení.Umožňují otáčení obrazovky, počítání kroků a funkce založené na pohybu.

2. Automobilové systémy

Ve vozidlech akcelerometry detekují náhlé změny rychlosti při nehodách.Pomáhají aktivovat airbagy a podporují bezpečnostní systémy, jako je stabilita a kontrola převrácení.

3. Průmyslový monitoring

Akcelerometry měří vibrace ve strojích, jako jsou motory a čerpadla.To pomáhá včas najít problémy a zabraňuje neočekávanému selhání stroje.

4. Lékařská a zdravotnická zařízení

Akcelerometry sledují pohyb těla ve fitness pásech a lékařských nositelných zařízeních.Používají se také pro detekci pádu a monitorování aktivity pacienta.

5. Letectví a obrana

Akcelerometry pomáhají letadlům, dronům a kosmickým lodím měřit pohyb a směr.Jsou důležité pro systémy navigace a řízení letu.

6. Robotika a automatizace

U robotů akcelerometry snímají pohyb, náklon a náhlé nárazy.Pomáhají zlepšit rovnováhu, kontrolu a bezpečný provoz.

7. Strukturální a seismické monitorování

Akcelerometry detekují vibrace v budovách a mostech.Používají se také ke sledování pohybu země při zemětřesení.

Akcelerometr vs gyroskop vs sklonoměr

Specifikace	Akcelerometr	Gyroskop	Sklonoměr
Primární měření	Lineární zrychlení	Hranatý rychlost	Úhel náklonu
Naměřené množství Jednotka	Metr za druhá na druhou	Stupeň za za druhé	Stupeň
Typické měření Rozsah	Mínus 16 až plus 16 metrů za sekundu na druhou	250 až 2000 stupně za sekundu	Z nuly na 360 stupně
Statické měření Schopnost	Ano	Ne	Ano
Zjištěn typ pohybu	Překlad a vibrací	Rotace a točit	Sklon a sklon
Úroveň citlivosti	Vysoká a nízká frekvence	Vysoká a vysoká rychlosti rotace	Velmi vysoká pro pomalý náklon
Výstupní signál Typ	Analogové popř digitální	Digitální	Analogové popř digitální
Společný odběr vzorků sazba	100 až 5000 hertz	100 až 8000 hertz	10 až 200 hertz
Typický hluk Hustota	50 mikrog na kořenový hertz	0,01 stupně za sekundu na kořenový hertz	0,001 stupně
Drift v čase	Nízká	Vysoká bez korekce	Velmi nízké
Gravitační reference Využití	Používá gravitaci vektor	Nepoužívá gravitace	Používá gravitaci vektor
Spotřeba energie	10 až 300 mikrowatt	1 až 10 miliwatt	5 až 100 miliwatt
Společný tvarový faktor	MEMS čip	MEMS čip	Modul popř senzorový balíček
Aplikace	Pohyb snímání a sledování vibrací	Orientace sledování a stabilizace	Vyrovnání a sledování náklonu

Závěr

Akcelerometry pracují tak, že převádějí pohyb na elektrické signály prostřednictvím pohybu zkušební hmoty.Různé konstrukce a technologie snímání jim umožňují přesně měřit zrychlení za různých podmínek.Počet os měření a typ výstupu ovlivňuje způsob zachycení a zpracování pohybových dat.Díky své flexibilitě a spolehlivosti jsou akcelerometry široce používány ve spotřební elektronice, průmyslových systémech, vozidlech, zdravotnictví a letectví.