Как устроен датчик наклона-перемещения внутри…
Для написания статьи взят датчик наклона и перемещения Spider TMS2

Что же у него внутри?
Рисунок 1. Ключевые компоненты датчика.

Сердце датчика – 3-координатный датчик ускорений (акселерометр). На фотографии он отмечен буквой “А”.
Акселерометры выпускает несколько фирм-столпов мировой микроэлектроники. В датчике наклона от Spider® применен MEMS-датчик от Freescale.
Внутри он содержит микромеханические емкостные сборки, чувствительные к ускорению (так называемые g-cell) и интегрированную микросхему, обеспечивающую первичную обработку сигнала, термокомпенсацию и выдачу его для дальнейшей обработки микроконтроллером.

Чувствительный элемент (g-cell) представляет собой механическую структуру, сформированную из полупроводниковых материалов (поликремния) при помощи технологических процессов маскирования и травления. Их можно представить как набор электродов, прикрепленных к массе, подвижной относительно жестко закрепленных электродов. Под воздействием ускорения масса отклоняется от нейтрального положения, изменяя соотношение расстояний между подвижными и неподвижными электродами.

Рисунок 2. Упрощенный эскиз ячейки, чувствительной к ускорению (g-cell)

Масса с подвижными электродами смещается под воздействием приложенного ускорения. При этом пропорционально изменяются емкости сформированных электродами конденсаторов (у одного конденсатора она увеличивается, а у другого уменьшается). Встроенная в акселерометр интегральная схема измеряет емкости и вычисляет ускорение, основываясь на их разнице. Также интегральная схема усиливает сигнал и нормализует таким образом, чтобы он был пропорционален ускорению.

В акселерометре есть три чувствительных элемента, сориентированных по осям X,Y и Z и три канала, сигналы в которых соответствуют действующему на датчик ускорению.
Чувствительный элемент герметизирован на этапе производства акселерометра.

На все окружающие нас предметы действует сила тяжести. Говоря иными словами все они, даже находясь в состоянии покоя, испытывают ускорение свободного падения (g).
Вот это ускорение и “раскладывается по осям” акселерометра.

Устаревшие датчики наклона автомобилей были построены на 2-координатных акселеромерах (еще несколько лет назад 3-координатный датчик из-за большей сложности изготовления и цены считался непозволительной роскошью) и требовали установки в положении, как можно более горизонтальном. Иначе просто переставали “видеть” наклон.

Как устроен датчик наклона современный: у него внутри уже 3-координатный сенсор. то есть тот же Spider TMS2 или Spider STMS, обладая способностью ориентироваться во всех трех координатах нашего трехмерного пространства, одинаково хорошо работает независимо от положения его установки.

Сигнал с акселерометра обрабатывается высокоинтегрированным микроконтроллером (отмечен на Рисунке 1 буквой “М”). Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает сигналы. При воздействиях на автомобиль меняется результирующая “раскладка” ускорения по осям.

Микроконтроллер и встроенная в него программа также проделывает дополнительную обработку для отфильтровывания ложных сработок. А они, как можно догадаться из принципа работы, могут быть спровоцированы ударами, вибрацией, раскачиванием и даже просто большим изменением температуры.
В общем виде он выглядит так:
– сигналы с частотами выше 30-60 Гц – это удары
– сигналы с частотами 0,1-10 Гц – это движения (естественно раскачивания и оттаскивание машины отличаются)
– изменения постоянной составляющей – это подъем кузова
– и т.д.
Когда с машины попытаются снять колеса или куда-то ее оттащить, попытаются укатить мотоцикл или мопед микроконтроллер датчика наклона (в соответствии с настройками чувствительности) выдаст сработки зон предупреждения и тревоги.

Алгоритмы, позволяющие по изменениям сигнала достоверно различать что происходит с машиной, являются “ноу-хау” производителя датчиков наклона. Но именно во внимании к “мелочам” заключается секрет сочетания высокой чувствительности и иммунитета к ложным срабатываниям датчика.

Высокая надежность датчиков наклона-перемещения Spider TMS2 и Spider STMS обеспечивается:
– использованием интеллектуальных алгоритмов обработки сигналов
– применением лучшей элементной базы от мировых производителей
– бескомпромисным отношением к качеству сборки

Датчики Spider TMS2-M и Spider STMS имеют двухслойную заливку специальным лаком для защиты электронной схемы от воздействия конденсата, как это делают только производители электроники, поставляемой на конвейеры ведущих автопроизводителей.

 

© 2010 Mobile Electronics co.
Все права принадлежат Mobile Electronics.
Любая публикация допускается только со ссылкой на первоисточник.
использование статьи и отдельных ее частей возможно исключительно с разрешения Mobile Electronics

P.S. Специально для охраны стационарных объектов Mobile Electronics выпускает Комбинированный датчик удара-наклона-перемещения Spider STMS , который с середины 2012 года успешно используется для охраны банкоматов и терминалов ведущих украинских банков, устанавливается на торговых автоматах.

задать вопрос на форуме
Статья “MEMS: микроэлектромеханические системы”