MEMS quán tính tạo đột phá trong ứng dụng với năm loại cảm biến chuyển động – Phần 2: Ứng dụng

(Xem Phần 1: Giới thiệu MEMS quán tính)

Ứng dụng của cảm biến gia tốc trong việc cải thiện mức độ tiện dụng và tiết kiệm điện năng

Trong phần trước của bài viết chúng ta đã bàn tới vai trò của gia tốc trong việc xác định chuyển động và vị trí. Một cảm biến gia tốc MEMS có thể giúp nhận biết việc một thiết bị được cầm lên hay đặt xuống. Khi phát hiện được những chuyển động trên, cảm biến có thể phát một tín hiệu điều khiển để tự động bật hoặc tắt các chức năng của thiết bị này. Ngoài ra, các tổ hợp chức năng khác nhau của thiết bị cũng có thể được điều khiển để hoạt động ở chế độ bình thường hay chế độ tiêu thụ điện năng thấp nhất. Tính năng bật/tắt dựa trên chuyển động rất có ích với người dùng vì nó loại bỏ được các thao tác lặp đi lặp lại cho họ. Hơn nữa, tính năng này còn giúp cải thiện việc quản lý điện năng, tăng thời gian sử dụng thiết bị giữa các lần xạc hay thay pin. Những chiếc điều khiển từ xa thông minh sử dụng màn hình LCD là một trong những ví dụ về ứng dụng tiềm năng của kỹ thuật này.

Một ứng dụng tiềm năng khác của cảm biến gia tốc là phát hiện chuyển động rồi phát ra một tín hiệu điều khiển cho thiết bị điện đàm vô tuyến trong lĩnh vực quân sự hay an ninh. Để đảm bảo tính bảo mật của việc liên lạc, nếu một máy điện đàm không được đeo hay mang theo bởi người sử dụng trong một khoảng thời gian thì máy sẽ yêu cầu người sử dụng xác thực lại danh tính trước khi cho phép tiếp tục sử dụng. Cần lưu ý rằng, đối với những thiết bị di động hay thiết bị nhỏ gọn như trong hai ví dụ vừa kể trên thì các cảm biến gia tốc phải tiêu thụ ít năng lượng, tối đa là vài micro ampe (μA), để ứng dụng có tính thực tế.

Thiết bị y tế là một mảng ứng dụng khác cho cảm biến chuyển động. Máy trợ tim (Automatic External Defibrillator – AED) là thiết bị dùng để tạo ra sốc điện giúp tim của bệnh nhân đập trở lại. Khi ADE không có tác dụng thì cần tiến hành hô hấp nhân tạo (CPR). Một nhân viên cứu hộ ít kinh nghiệm có thể nén ngực bệnh nhân không đủ mạnh, khiến CPR không có hiệu quả. Nếu gắn một cảm biến gia tốc lên miếng nén ngực của AED thì có thể đo được khoảng cách miếng nén này di chuyển, giúp cho nhân viên cấp cứu biết được mức nén tối ưu.

Hình 5. Thiết bị PocketCPR, một ví dụ về cảm biến gia tốc giúp xác định chuyển động và vị trí. Nguồn: EECatalog.com.

Ứng dụng của cảm biến rung động trong giám sát và tiết kiệm điện năng

Những thay đổi nhỏ trong rung động là biểu hiện của vòng bi bị mòn, các bộ phận cơ khí không khít, và các vấn đề máy móc khác. Các cảm biến MEMS nhỏ gọn với băng thông rộng có thể được sử dụng để giám sát rung động ở động cơ, quạt máy, và các máy nén. Khả năng bảo trì nhờ thông tin dự báo như trên giúp cho các nhà máy sản xuất tránh được hư hỏng trên các thiết bị đắt tiền cũng như là các hỏng hóc ở quy mô lớn. Việc định lượng được các thay đổi về đặc tính rung động của thiết bị còn có thể được dùng để đánh giá liệu thiết bị này đã được tinh chỉnh để hoạt động một cách tối ưu chưa.

Hình 6. Ví dụ về ứng dụng của cảm biến rung động để phân biệt máy hoạt động bình thường (phổ màu đen) với máy đã bị mòn (phổ màu đỏ). Nguồn: EECatalog.com.

Ứng dụng của nhận biết chấn động, cử động …

Cho tới nay, tính năng bảo vệ ổ cứng trong các loại máy tính xách tay là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của nhận biết chấn động. Một cảm biến gia tốc sẽ giúp phát hiện những chấn động nhỏ gây ra do dây nguồn bị giật hay màn hình bị va đập. Những chấn động nhỏ này thường là tiền đề của một chấn động khác, cụ thể ở đây là việc máy tính đập xuống sàn. Chỉ trong vòng vài phần nghìn giây sau khi phát hiện các hiện tượng này nhờ sử dụng cảm biến chuyển động, hệ thống sẽ ra chỉ thị để ổ cứng cố định đầu đọc, giúp nó không đập vào đĩa nhớ khi máy tính bị rơi, nhờ vậy giảm thiểu được các hư hỏng ở ổ đĩa.

Các giao diện điều khiển dựa trên nhận dạng cử động cũng là một ứng dụng tiềm năng khác nữa cho cảm biến quán tính. Các cử động đã được định nghĩa sẵn như chạm, chạm đúp, hay rung lắc giúp người dùng kích hoạt các tính năng khác nhau hay thay đổi chế độ hoạt động của thiết bị. Những giao diện dùng cử động như trên làm tăng tính hữu dụng của thiết bị trong những trường hợp mà việc điều khiển bằng phím hay nút không được thuận tiện. Các thiết kế không có phím và nút cũng khiến giá thành toàn hệ thống giảm, đồng thời làm cho sản phẩm bền hơn. Một ví dụ điển hình là trường hợp các máy ghi hình dưới nước sẽ bị nước thấm vào qua các cạnh của nút điều khiển, nếu có.

Các thiết bị điện tử tiêu dùng có kích cỡ nhỏ chỉ là một trong nhiều lĩnh vực ứng dụng mà việc nhận dạng cử động dùng cảm biến chuyển động tìm được chỗ đứng. Ngoài ra, giao diện điều khiển dùng cử động còn có thể trở nên hữu dụng trong các thiết bị y tế đeo trên người hay cấy ghép như các máy trợ thính và máy bơm thuốc.

Hình 7. Cơ chế bảo vệ ổ đĩa cứng tự động của máy tính xách tay IBM ThinkPad® là một ví dụ về ứng dụng của khả năng cảm biến chấn động. Nguồn: EECatalog.com.

Ứng dụng của cảm biến nghiêng

Cảm ứng độ nghiêng cũng có tiềm năng ứng dụng trong các giao diện điều khiển dùng cử chỉ. Ví dụ như việc vận hành chỉ với một tay được ưa thích hơn trên các thiết bị thuộc lĩnh vực xây dựng hay kiểm tra công nghiệp. Tay không dùng để vận hành thiết bị thì thường dùng để điều khiển thùng hay nền mà người vận hành đang đứng hay là để giữ giây bảo hiểm. Người vận hành có thể chỉ cần quay máy dò hay thiết bị để điều chỉnh các tùy chọn.

Một cảm biến gia tốc 3 chiều sẽ có thể phát hiện được sự “quay” dưới dạng nghiêng. Cảm biến sẽ đo mức biến đổi có tốc độ chậm của góc nghiêng dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Dựa trên thông tin này, hệ thống sẽ tính toán được mức thay đổi của vector của lực hấp dẫn và xác định xem chuyển động quay là thuận hay ngược chiều kim đồng hồ. Cảm biến nghiêng còn có thể được kết hợp với tính năng nhận biết va chạm nhẹ để giúp người vận hành điều khiển được nhiều chức năng hơn trong những trường hợp thao tác một tay.

Ngoài ra, cảm biến nghiêng còn có thể được dùng để hiệu chỉnh thông tin về vị trí của thiết bị định vị như la bàn điện tử trong hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hay điện thoại di động. Một vấn đề thường gặp trong các thiết bị này là sai số phương hướng xuất hiện khi la bàn không được đặt thực sự song song với mặt đất. Ở các máy cân công nghiệp, độ nghiêng so với mặt đất của bàn cân cũng cần được xác định để có thể tính toán chính xác trọng lượng. Tương tự như vậy, các cảm biến áp suất sử dụng trong xe hơi và các máy móc công nghiệp cũng chịu sự ảnh hưởng của trọng lực do những cảm biến này có chứa các màng ngăn mà độ lệch của chúng phụ thuộc vào vị trí lắp đặt của cảm biến. Trong tất cả các trường hợp kể trên thì cảm biến gia tốc MEMS đều có thể được sử dụng để xác định góc nghiêng trước khi thực hiện việc hiệu chỉnh sai số.

Hình 8. Máy giám sát huyết áp Omron Wrist có sử dụng các kỹ thuật cảm biến cao cấp , bao gồm cả cảm biến độ nghiêng, để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu. Nguồn: EECatalog.com.

Con quay hồi chuyển và các thiết bị đo dùng quán tính

Các ứng dụng thực tế của công nghệ MEMS trở nên hữu ích hơn khi tính năng phát hiện chuyển động quay được kết hợp với tính năng phát hiện các chuyển động do quán tính khác. Trong thực tế thì việc kết hợp này cần tới cả cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển.

Một số thiết bị đo dùng quán tính (Inertial Measurement Unit – IMU) có kết hợp cảm biến gia tốc đa chiều, cảm biến con quay hồi chuyển đa chiều, ngoài ra có thể thêm cảm biến từ tính để tăng mức độ chính xác về hướng. IMU cũng có thể cung cấp thông tin cảm biến với 6 bậc tự do, giúp đạt được độ chính xác rất cao đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng ở thiết bị ghi hình y tế, dụng cụ phẫu thuật, bộ phận cơ thể giả cao cấp, và dẫn đường tự động cho các phương tiện công nghiệp. Một ưu thế khác của việc sử dụng IMU là các tính năng của thiết bị có thể được nhà sản xuất kiểm thử và hiệu chỉnh trước khi xuất xưởng.

IMU còn hữu ích trong các trường hợp sử dụng khác. Ví dụ như nó có thể được gắn trên một chiếc gậy chơi golf thông minh để giúp ghi lại và theo dõi toàn bộ chuyển động của một cú đánh. Người chơi golf sẽ dựa vào thông tin này để cải thiện kỹ năng chơi. Các cảm biến gia tốc trên gậy golf sẽ đo gia tốc và đường vung gậy. Còn cảm biến con quay hồi chuyển thì đo mức độ xoáy tay của người chơi. Trong khi thi đấu và tập luyện, gậy golf thông minh sẽ ghi lại những dữ liệu này để phục vụ cho việc phân tích sau đó trên máy tính.

Hình 9. Minh họa các điểm có thể đặt cảm biến quán tính giúp người chơi golf ghi lại các chuyển động của mình khi thi đấu hay tập luyện, phục vụ việc phân tích và hoàn thiện kỹ thuật đánh. Nguồn: MedCityNews.com.

Xu hướng xử lý tín hiệu mới

Dù cho nhu cầu có là tính tiện dụng, giảm tiêu thụ điện năng, giảm thiểu các nút điều khiển vật lý, điều chỉnh hoạt động tuỳ theo trọng lực và vị trí hay là các phương thức vận hành thông minh hơn thì giải pháp MEMS quán tính luôn có thể mang lại nhiều sự lựa chọn để khám phá với cả năm loại cảm biến chuyển động.

Là công ty luôn theo đuổi các giải pháp mới, Analog Devices cùng với giải pháp Xử lý Tín hiệu Chuyển động iMEMS đang phát triển và cung cấp các bộ cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển giúp triển khai xu hướng xử lý tín hiệu này. Rất nhiều ứng dụng sẽ nảy sinh và phát triển nhờ vào những giải pháp tích hợp có kích cỡ nhỏ, độ nhạy cao, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ổn định, có tích hợp mạch giao tiếp và định dạng tín hiệu (signal conditioning circuitry).

Các tác giả:

Rob O’Reilly hiện đang làm việc tại hãng Analog Devices (Hoa Kỳ), đảm nhiệm việc phát triển các phương pháp kiểm thử MEMS trong tương lai, và một số cơ hội kinh doanh trong lĩnh vực này. Ông là một cựu kỹ sư trong ngành hàng không và đã theo học trường Đại học Northeastern (Hoa Kỳ) với chuyên ngành về chấn động, rung động và vật lý học thể rắn (solid-state physics). Email: rob.oreilly@analog.com

Harvey Weinberg, Cử nhân ngành Điện tử, đã làm việc 12 năm tại hãng Analog Devices (Hoa Kỳ). Ông hiện là trưởng nhóm Ứng dụng của các sản phẩm cảm biến quán tính, thuộc đơn vị Sản phẩm Vi cơ (Micromachined Products division). Trước đó, ông làm việc 10 năm trong vai trò kỹ sư thiết kế mạch và hệ thống, tập trung vào các thiết bị đo đạc và điều khiển tiến trình. Email: harvey.weinberg@analog.com

• Nguyên bản tiếng Anh: “The Five Motion Senses: MEMS Inertial Sensing To Transform Applications,” Rob O’Reilly, Harvey Weinberg, Sensors Magazine.com, January 2010.
• Người dịch: Phạm Duy Đông
• Hiệu chỉnh: Tạ Minh Chiến, Hồ Quang Tây