XYZ tão fáceis como o ABC: um destaque para os Acelerômetros triaxiais

Recebi recentemente um caderno de presente no trabalho. Considerei este caderno mais legal que a maioria dos outros já recebido. Do lado de fora, tinha o logotipo da empresa e era encadernado em couro (ou couro sintético). Até ai, nenhuma novidade.

 

Quando abri, foi uma grande surpresa. Não havia o papel tradicionalmente regular, nem laudas brancas e limpas em branco olhando para mim. Em vez disso, era o papel quadriculado em grade, com pequenos quadrados em todos os lugares.

 

Galileo, Galileo

 

Receber este caderno fez com que eu voltasse várias décadas atrás e recordar meus experimentos de física do ensino médio (em um caderno quadriculado similar, mas não tão legal). Na aula de física, meus colegas e eu seríamos obrigados a emular experimentos antigos famosos. Um dos experimentos que nos pediram para reproduzir foi o do plano inclinado do polímata italiano Galileo Galilei (1564-1642), envolvendo declives íngremes e pequenos declives (Figura 1). Sua experiência ajudou a deixar de lado as concepções aristotélicas da física, demonstrando que os objetos experimentavam uma aceleração uniforme devido aos efeitos da gravidade da Terra.

 

Figura 1: Ilustração do experimento de plano inclinado de Galileu, envolvendo declive íngreme e declive raso. (Fonte: Mouser)

 

Meu caderno estava cheio de medições documentando os valores de massas (gramas, g), ângulos de inclinação (Θ), valores angulares, em seno, das inclinações (sinΘ), tempos de duração do experimento (segundos, s). Muitos experimentos de física foram feitos assim, incluindo estudos das leis do movimento emulando Isaac Newton (1642-1727) e demonstrando fatos como F (força) = m (massa) * a (aceleração) ou simplesmente: F = ma. O resultado total após a coleta de dados era, geralmente, reunir os dados das tabulações feitas no lado esquerdo da página e transformá-los em vários gráficos de coordenadas cartesianas e funções no lado direito da página aberta.

 

Plotando X, Y, e Z

 

O sistema de coordenadas do matemático francês René Descartes (1596-1650) permitiu que pontos no espaço tridimensional fossem plotados de forma única por um conjunto de coordenadas numéricas definidas por eixos mutuamente ortogonais, chamados eixo x, eixo y e eixo z. A álgebra agora poderia ser facilmente aplicada à geometria.

 

A tecnologia de componentes eletrônicos avançou muito nas últimas décadas desde que aprendi os fundamentos da física no laboratório. Hoje, os acelerômetros de três eixos podem facilmente calcular forças em todos os três eixos simultaneamente. Os acelerômetros de três eixos facilitam a coleta de informações sobre o eixo XYZ, mais fácil do que aprender seus ABCs.

 

Acelerômetros de 3-eixos

 

Um fabricante de eletrônicos que faz acelerômetros triaxiais mais fáceis do que aprender seu ABC é Kionix. A Kionix, uma empresa do ROHM Semiconductor Group, é fabricante de produtos acelerômetros de silício (Si) com tecnologia MEMS, Micro-electromechanical Systems ou sistemas microeletromecânicos (Figura 2). Acelerômetros MEMS são sistemas microeletromecânicos que medem a força estática ou dinâmica de aceleração. A Kionix produz acelerômetros MEMS, incluindo uma variedade de acelerômetros de três eixos.

 

Figura 2: A Kionix, uma empresa do ROHM Semiconductor Group, é líder global no projeto e fabricação de sensores inerciais MEMS de alto desempenho e micromaquinados a silício (silicon-micromachined). (Fonte: Kionix)

 

A Kionix introduziu o acelerômetro de três eixos KX003-1077 (Figura 3). O acelerômetro de três eixos KX003-1077 oferece quatro faixas amplas de g configuráveis ​​pelo usuário (± 2g, ± 4g, ± 8g e ± 16g) e três modos de resolução (8 bits, 12 bits e 14 bits). O acelerômetro consome <2µA em sua configuração de consumo de energia mais baixo e oferece taxas de amostragem de 1Hz a 1600Hz. Ele oferece desempenho de ruído mais baixo, resiliência de choque excepcional, desempenho estável em relação à temperatura e melhor precisão de tempo do que os acelerômetros da geração anterior.

 

Figura 3: O acelerômetro de eixo triplo KXIX KX003-1077 com interface digital I²C e interrupção de detecção de movimento / despertar oferece resolução de até 14 bits e intervalos de g selecionáveis ​​pelo usuário. (Fonte: Mouser)

 

A Kionix cria estruturas mecânicas de silício, que são essencialmente sistemas de massa-mola que se movem na direção da aceleração aplicada. O acelerômetro de capacitância detecta mudanças na capacitância entre microestruturas localizadas ao lado do dispositivo. Se uma força de aceleração mover uma dessas estruturas, a capacitância mudará e o acelerômetro converterá essa capacitância em tensão e, então, resultará em posterior interpretação. O acelerômetro também utiliza o cancelamento em modo comum para diminuir os erros da variação do processo, da temperatura e do estresse ambiental.

 

O acelerômetro KX003-1077 vem em um encapsulamento plástico LGA (Land Grid Array) de 2 mm x 2 mm x 0,9 mm e opera com uma fonte de 1,7 VCC a 3,6 VCC. Ele usa reguladores para manter tensões operacionais internas constantes na faixa de tensões de alimentação de entrada. Isso resulta em características operacionais estáveis ​​na faixa de tensões de alimentação de entrada e erro de medição virtualmente indetectável.

 

Um dispositivo ASIC (Application Specific Integrated Circuit) separado, encapsulado com o elemento do sensor, lida com todas as comunicações digitais e de condicionamento de sinal do acelerômetro KX003-1077. A cadeia de medição completa é composta de um amplificador de baixa intensidade de ruído para tensão, que converte a capacitância diferencial do sensor de MEMS em uma tensão analógica que é enviada através de um conversor analógico-digital (ADC). Os usuários podem acessar os dados de aceleração através das comunicações digitais I2C fornecidas pelo ASIC. Além disso, o ASIC contém toda a lógica para permitir que o usuário escolha taxas de dados, intervalos de g, configurações de filtro e lógica de interrupção.

 

Conclusão

 

O mundo é um lugar cheio de movimento, onde muitas coisas se movem o tempo todo. A detecção de movimento pode ser tão fácil quanto aprender seu ABC. Reflita por um momento e você perceberá rapidamente que os acelerômetros de três eixos da Kionix facilitam a medição da sensação de movimentação e movimento em XYZ tão facilmente quanto o ABC. Por um momento desejei que a dinâmica clássica dos piões que estudei em física fosse assim tão tranquila de medir.

 

Artigo escrito originalmente por Paul Golata para Mouser Electronics: XYZ Made as Easy as ABC: A Look at Tri-Axis Accelerometers.

 

Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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