Comparativo entre acelerômetros

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Comparativo entre acelerômetros

  1. 1. Comparativo entre acelerômetros http://www.sabereletronica.com.br/artigos-2/1240-comparativo-entre-acelermetros Os acelerômetros são dispositivos capazes de medir a aceleração de um corpo. Como a oferta destes dispositivos tem aumentado, o número de aplicações para eles também tem crescido na mesma proporção. Neste artigo vamos fazer um comparativo entre alguns acelerômetros disponíveis no mercado, quais as suas principais características e propriedades. Quais as aplicações para um acelerômetro? Qualquer atividade onde haja movimento pode ter o valor de sua aceleração medida por estes dispositivos. Para saber qual aplicação é possível para um acelerômetro é preciso conhecer a ordem de grandeza da aceleração que se deseja medir, visto que estes sensores são fabricados dentro de faixas de valores específicas. Na tabela 1 são mostradas as faixas típicas de trabalho, com as suas respectivas aplicações. Além da faixa de aceleração que se pode medir, informações como a tolerância, formato de saída (digital, analógica, PWM, etc.), encapsulamento e outros, também são levados em consideração na hora de especificar qual componente se aplica a cada projeto. Características que devem ser observadas para especificar um acelerômetro: • Quantidade de eixos: o modo de construção do dispositivo permite que ele forneça informações em até 3 eixos simultaneamente, geralmente chamados pelos fabricantes de X, Y e Z. Alguns modelos medem apenas 1 ou dois eixos. • Faixa de medição: informa qual é a capacidade de medição do sensor, com valores negativos (desaceleração) e positivos (aceleração). Esta faixa será importante para determinar em qual aplicação o sensor pode ser utilizado, como já mostrado na tabela 1. Tabela 1 • Tolerância (sensibilidade): informa qual a resolução mínima que o sensor fornece. Pode ser um limitante para a aplicação, por isto é um parâmetro importante.
  2. 2. •Formato da saída: alguns sensores têm saída analógica (cuja tensão é proporcional ao valor da aceleração), digital (com um determinado número de bits de resolução e utilizando comunicação serial SPI ou I2C), PWM (modulada de acordo com a aceleração). • Self Test: diversos fabricantes disponibilizam um pino no sensor que, quando alimentado com VCC, faz com que uma força eletrostática seja aplicada ao corpo de prova. Isto faz com que as saídas assumam um determinado valor de aceleração, mesmo estando parado. Esta funcionalidade serve tanto para testar o dispositivo (se a soldagem foi realizada corretamente, por exemplo) como para calibrar os sistemas de controle (ajustar o microcontrolador). • Ratiometric Output: quando tem saída analógica, o valor de tensão para cada eixo será proporcional a aceleração sofrida e a tensão de entrada. Como alguns dispositivos podem ser alimentados dentro de uma faixa de valores de tensão (de 2 a 5 V, por exemplo), o valor de saída acompanha esta variação. Comparação de dispositivos de cada fabricante: 1. Analog Devices A Analog Devices fabrica acelerômetros com saída analógica, PWM e digital (interface SPI). Para o comparativo vamos analisar um modelo que tem saída analógica (ratiometric output) e a função Self Test. ADXL330 – acelerômetro de três eixos, ± 3 g, baixo consumo, tecnologia MEMS capacitiva – Custo de US$ 5,45 no site do fabricante. Este fabricante fornece dispositivos com saída analógica, PWM e digital (interface SPI). Para o comparativo vamos analisar um modelo que tem saída analógica (ratiometric output) e a função Self Test. Funciona com tensão de alimentação de 1,8 a 3,6 V, com fonte simples. O impacto limite para quebra do corpo de prova é de 10000 g. Sua saída analógica fornece uma variação de tensão proporcional ao valor da aceleração medida em cada um dos três eixos. Um diagrama básico é mostrado na figura 1 e uma sugestão de montagem é apresentada na figura 2. Figura 1 Figura 2
  3. 3. 2. Freescale A Freescale fabrica acelerômetros com saída analógica (caso do dispositivo analisado) ou digital (com interfaces SPI e I2C). A mesma funcionalidade de ST (Self Test), existente nos dispositivos da Analog Devices também está presente neste e sua saída também é do tipo ratiometric output. Além disso, este acelerômetro tem um recurso extra: entrar em Sleep Mode, abaixando seu consumo (para a ordem de 3 µA) através de um nível de sinal em um pino SM. Isto possibilita o uso com microcontroladores em aplicações de baixo consumo, sendo acordado apenas quando deve ser feita a medição de aceleração ou quando ocorrer um movimento no sensor (um alarme de carros, por exemplo). MMA7261QT – acelerômetro de três eixos, selecionável em ± 2,5 g, ± 3,3 g, ± 6,7 g ou ± 10 g, tecnologia MEMS capacitiva – Custo de US$ 2,74 no site do fabricante. Este modelo de acelerômetro possui três sinais de medida (triaxial) e tem a vantagem de ser escalonável em quatro faixas de medida através da variação de nível em dois pinos de controle (g-S2 e g-S1), como demonstra a tabela 2. Isso faz com que ele assuma sensibilidades e resoluções diferentes para cada escala. Ao ser utilizado em conjunto com um microcontrolador isto pode criar efeitos interessantes nas aplicações. Tabela 2 Seu diagrama em blocos pode ser visto na figura 3. Figura 3
  4. 4. Todas as funcionalidades extras deste acelerômetro permitem a perfeita integração com circuitos microcontrolados. Uma sugestão de aplicação é dada na figura 4. Figura 4 ACH-04-08-05 – acelerômetro de três eixos, ± 250 g, tecnologia MEMS piezelétrica – Custo de US$ 25,00 no site do fabricante. 2. Measurement Specialities Diferente dos acelerômetros tratados até aqui, vamos analisar um modelo que utiliza a tecnologia MEMS piezelétrica, e não a capacitiva. Outra diferença é que na saída deste dispositivo, para cada um dos eixos, tem-se um JFET, que é construído com o mesmo modelo do 2N4117, e pode ser tratado como tal para efeito de saída de sinal. Seu esquema interno pode ser observado na figura 5. Figura 5
  5. 5. A orientação de seus três eixos é um pouco diferente dos modelos convencionais, estando os eixos X e Y posicionados a 45o da linha central do dispositivo. Seu encapsulamento não segue o padrão de mercado, mas permite a montagem em SMD, sendo necessária uma consulta ao site do fabricante para verificar suas dimensões. Por utilizar JFETs como interface de saída, é necessário fazer um condicionamento do sinal antes que conectá-lo a um estágio de controle, como no caso de utilizar em conjunto com um microcontrolador. Uma sugestão de circuito é dada na figura 6, onde apenas um dos eixos está polarizado. Para os demais, basta repetir o mesmo circuito. Figura 6 4. MEMSIC MXR9500G/M – acelerômetro de três eixos, ± 1,5 g, tecnologia MEMS por convecção de calor – Custo de US$ 14,40 no site do fabricante. O MXR9500G/M usa uma tecnologia diferente dos demais acelerômetros deste comparativo, que são baseados em MEMS capacitivo ou piezelétrico. É a convecção de calor. A transferência de calor dentro do dispositivo MEMS, causada pela aceleração externa, é detectada como uma mudança do padrão de aquecimento. Com isto elimina-se a necessidade de um corpo de prova, o que o faz sobreviver a impactos muito maiores que seus concorrentes, da ordem de até 50000 g. Além disso, ele tem alta resolução de medida ( 0,001 g) e sua alimentação pode ser feita de 2,7 a 3,6 V. Suas saídas analógicas são proporcionais a tensão de entrada (ratiometric output), com 50 % do valor de alimentação na saída quando 0 g é aplicado a qualquer um dos três eixos. Seu diagrama de blocos é ilustrado na figura 7 .
  6. 6. Figura 7 5. Silicon Designs Model 1221 – acelerômetro de um eixo, de ± 2 g a ± 400 g por dispositivo, tecnologia MEMS capacitiva – Custo de US$ 14,40 no site do fabricante (chip de ± 10 g). Nesta linha de dispositivos a Silicon Designs fornece uma ampla gama de faixas de medição, mostradas na tabela 3. Mas cada chip é fabricado para apenas uma escala. Figura 3 Outra diferença é que ele possui duas saídas analógicas (pinos AON e AOP) para seu único eixo, cujo valor de saída é proporcional a aceleração, de modo linear e invertido. Sua pinagem é dada na figura 8-a e uma sugestão de aplicação é mostrada na figura 8-b.
  7. 7. Figura 8 6. STMicroelectronics LIS3L02AL (acelerômetro de três eixos, ± 2 g, tecnologia MEMS capacitiva) – Custo de US$ 12,38 no site indicado pelo fabricante. Este acelerômetro de baixo consumo pode ser alimentado com tensões de 2,4 a 3,6 V. Tem uma excelente resolução (0,0005 g), com saída analógica proporcional a tensão de entrada (ratiometric output). Também possui a funcionalidade de auto-teste (self test pin). Seu diagrama em blocos pode ser visto na figura 9. Figura 9
  8. 8. Uma sugestão de aplicação é apresentada na figura 10. Figura 10 Conclusão Mostramos neste comparativo uma pequena gama de componentes, dentre os muitos outros dispositivos que podem ser encontrados nos sites dos fabricantes. Com a miniaturização dos equipamentos eletrônicos e com a crescente demanda por novos recursos, as aplicações envolvendo ente tipo de componente tornam-se cada vez mais comum. *Artigo originalmente publicado na revista Saber Eletrônica Ano 43 - Número 420 Janeiro 2008

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