acelerometros

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SENSORES INERCIALES: GIRÓSCOPOS Y ACELERÓMETROS Curso de Verano 2007/2008 Diseño de sistemas portátiles para la monitorización del movimiento

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Page 1: Acelerometros

SENSORES INERCIALES:

GIRÓSCOPOS Y ACELERÓMETROS

Curso de Verano 2007/2008

Diseño de sistemas portátiles para la

monitorización del movimiento

Page 2: Acelerometros

ACELERACIÓN

INTRODUCCIÓN

¿Qué es la aceleración?

¿En qué unidades se expresa?

¿Qué es un “g”?

Page 3: Acelerometros

ACELERACIÓN

INTRODUCCIÓN

Aceleración de la gravedad 1 g

Pasajero de un coche en curva 1 g

Pasajero de coche en bache 2 g

Coche de Fórmula 1 en curva 3 g

Bobsled en curva 5 g

Pérdida de conciencia 7 g

Transbordador espacial 10 g

Page 4: Acelerometros

ACELERACIÓN

INTRODUCCIÓN

xEspacio

dt

dxVelocidad

2

2

dt

xdnAceleració

Page 5: Acelerometros

ACELERÓMETROS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

MMuelle

k

Aceleración

makx

xSensor de

desplazamiento x

Page 6: Acelerometros

ACELERÓMETROS

RESPUESTA EN FRECUENCIA

Page 7: Acelerometros

ACELERÓMETROS

TIPOS

Según el sensor de desplazamiento

Capacitivos

Piezoeléctricos

Piezorresistivos

Otros: transferencia de calor, efecto Hall, LVDT, …

Page 8: Acelerometros

ACELERÓMETROS CAPACITIVOS

Simple Diferencial

x

SC r0

S

x

r

dd

Placa

móvil

Placas fijasxd

SC r0

1

xd

SC r0

2

C1

C2

x

Page 9: Acelerometros

ACELERÓMETROS CAPACITIVOS

Placas fijas

M

Muelle

Placa móvil

Aceleración

Page 10: Acelerometros

ACELERÓMETROS CAPACITIVOS

ACONDICIONAMIENTO

Page 11: Acelerometros

ACELERÓMETROS CAPACITIVOS

Page 12: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Fuerza Fuerza

Cuarzo Cerámicos

Elevada sensibilidad

en tensión

Muy buena estabilizad

a largo plazo

No es piroeléctrico

Coeficiente de

temperatura bajo

Elevada sensibilidad en carga

Gran variedad de formas y

tamaños

Pueden llegar a temperaturas

de hasta 540ºC

Son piroeléctricos

Variaciones acusadas con la

temperatura

Page 13: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

TIPOS

Page 14: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

RESPUESTA EN FRECUENCIA

Page 15: Acelerometros

Sólo son posibles medidas dinámicas

La carga generada es del orden de pC

Tiempos de subida muy reducidos (del orden de microsegundos)

Se pueden llegar a medir frecuencias de decenas kHz

Coeficientes de temperatura 0,01 a 0,05%/ºC (típ.)

Suelen presentar derivas del cero

Sensibilidad elevada

Robustez

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

CARACTERÍSTICAS

Page 16: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

ACONDICIONAMIENTO

Modelo habitual

q

Ejemplo: Sensor de presión

Kistler 6001. q=1pC/psi

C=10pF

Amplificación de tensión

q

Sensor Cableado

ej. Cable

coaxial 50pF/m

Amplificador

Resistencia entrada y

capacidad de entrada

La medida estaría muy condicionada por los parásitos

dt

dqi

Page 17: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS

ACONDICIONAMIENTO

Amplificación de carga (convertidor carga-tensión)

¡¡¡ Independiente de CT y de RT !!!

dt

dqi

q CT RT

Cf CT: Capacidad sensor+cable+amplificador

RT: Resistencia sensor+cable+amplificador

Us

qC

1dti

C

1U

ff

s

Page 18: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZORRESISTIVOS

Desde DC hasta 13 kHz

Page 19: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZORRESISTIVOS

Page 20: Acelerometros

ACELERÓMETROS PIEZORRESISTIVOS

Page 21: Acelerometros

APLICACIONES

Page 22: Acelerometros

ACELERÓMETROS

EJEMPLO – MEDIDA DE INCLINACIÓN

1 g

gsen( )

Dirección

acelerómetro

)(Aasen

Page 23: Acelerometros

ACELERÓMETROS

EJEMPLO – MEDIDA DE LA INCLINACIÓN

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

A

c

e

l

e

r

a

c

i

ó

n

Ángulo de inclinación

Aceleración-ángulo

Page 24: Acelerometros

ACELERÓMETROS

EJERCICIOS

Obtener los parámetros más importantes de un

acelerómetro a partir de las hojas de

características

Indicar cómo se modifica el ancho de banda del

acelerómetro

Indicar cuánto varía la tensión que proporciona si

si utiliza como inclinómetro y se pasa de una

inclinación de 0º a 1º, ¿y si pasa de 89º a 90º?

Page 25: Acelerometros

ACELERÓMETROS

NAVEGADORES INERCIALES

t

dttatv0

t tt

dttadttvtx0 00

Integrado la aceleración obtenemos la velocidad

Integrando la velocidad obtenemos el espacio

recorrido

Page 26: Acelerometros

ACELERÓMETROS

CALIBRACIÓN

Page 27: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

INTRODUCCIÓN

¿Qué miden?

¿En qué unidades se expresa el resultado?

Page 28: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

REFERENCIAS

Page 29: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (MEMS)

Fuerza de

Coriolis

Page 30: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (MEMS)

Page 31: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (MEMS)

Page 32: Acelerometros

GIRÓSCOPOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (MEMS)