¿Qué es un Acelerómetro de 3 Ejes?
Los sensores de aceleración de 3 ejes son sensores que miden la aceleración en las direcciones X, Y y Z.
La aceleración se define en las leyes del movimiento de Newton (segunda ley) como “Cuando un objeto está sometido a una fuerza externa F, se genera una aceleración a proporcional a la magnitud de la fuerza F e inversamente proporcional a la masa m del objeto en la dirección de dicha fuerza”. La expresión matemática es “F = ma”. La aceleración puede describirse como “la cantidad de cambio de velocidad en un periodo de tiempo determinado”.
Los sensores de aceleración miden la aceleración y procesan la señal para detectar el movimiento, la vibración o el impacto de un objeto. También pueden medir la gravedad, de modo que la inclinación también puede detectarse cuando se ésta se calcula. Los sensores de aceleración incluyen sensores piezoeléctricos, piezoresistivos y capacitivos, que se seleccionan en función de la aplicación.
Usos de los Acelerómetros de 3 Ejes
Los acelerómetros de 3 ejes se utilizan actualmente en una amplia gama de dispositivos. Algunos ejemplos de uso son dispositivos como:
1. Teléfonos Móviles
Se utilizan para cambiar la orientación de la pantalla detectando la longitud y la anchura, y para contar en un podómetro.
2. Mandos de Juegos
Se utilizan para detectar el movimiento del mando.
3. Coches
Se utilizan para detectar la postura de la carrocería del vehículo debido a la aceleración/desaceleración y la carga, por ejemplo, en el ABS y la suspensión controlada electrónicamente. También se utiliza en la detección de colisiones con airbag.
4. Robots
Se utiliza para controlar la posición y la actitud de los robots.
Principio de los Acelerómetros de 3 Ejes
Los principales tipos de acelerómetros de 3 ejes son piezoresistivos, piezoeléctricos y capacitivos.
1. Sensor de Aceleración de 3 ejes Piezoresistivo
Los sensores de aceleración piezoresistivos utilizan un fenómeno conocido como efecto piezoresistivo, en el que la resistencia cambia cuando se aplica una fuerza a un elemento piezoresistivo. Se coloca un elemento piezorresistivo en la unión de las partes móvil y fija del elemento sensor. Cuando se aplica la aceleración, se aplica una fuerza al elemento piezorresistivo desde la parte móvil, haciendo que cambie el valor de la resistencia. La aceleración se detecta a partir de este cambio en el valor de la resistencia.
2. Sensor Piezoeléctrico de Aceleración de 3 Ejes
Los sensores de aceleración piezoeléctricos utilizan el efecto piezoeléctrico, un fenómeno en el que una fuerza aplicada a un objeto piezoeléctrico provoca polarización y tensión. Se coloca un elemento piezoeléctrico en la unión de las partes móvil y fija del elemento sensor. Cuando se aplica la aceleración, se aplica una fuerza al elemento piezoeléctrico desde la parte móvil, generando una carga eléctrica. La aceleración se detecta a partir de los cambios en esta carga.
3. Sensor de Aceleración Capacitivo de 3 Ejes
Detecta mediante cambios en la capacitancia entre electrodos. Dentro del elemento sensor hay electrodos fijos y móviles. Cuando se aplica la aceleración, los electrodos móviles se mueven, por lo que la separación entre ellos y los electrodos fijos cambia y la capacitancia entre los electrodos cambia. La aceleración se detecta a partir de este cambio en la capacitancia.
Más Información sobre los Acelerómetros de 3 Ejes
1. Aplicaciones de los Sensores de Aceleración de 3 ejes
Los sensores de aceleración triaxiales son dispositivos relativamente compactos y fáciles de aplicar. Por ello, se aplican cada vez más en el campo del análisis del movimiento humano.
Ejemplo de medición 1: Medición de la aceleración de 3 ejes aplicada a la rodilla durante la marcha.
Se coloca un sensor de aceleración de 3 ejes en la rodilla para recopilar datos de aceleración durante la marcha.
Ejemplo 2: Medición de las diferencias funcionales izquierda-derecha en la extremidad inferior y de la susceptibilidad de la extremidad inferior a las lesiones.
Se colocan sensores de aceleración triaxiales en la superficie lateral de las articulaciones de la rodilla de ambos pies y se fijan en su sitio. Se mide la “amplitud máxima” de un pie sobre la placa inestable.
Lo anterior proporciona los siguientes resultados:
Resultado 1: Aceleración aplicada a la rodilla
Cuando se mide con un acelerómetro de 3 ejes, la aceleración puede medirse simultáneamente para cada uno de los siguientes movimientos: elevación y descenso alrededor de la rodilla, hacia delante y hacia atrás, y de lado a lado. Si las aceleraciones de 3 ejes anteriores se miden simultáneamente en ambas piernas, también es posible medir las diferencias en los valores de impacto de la rodilla izquierda y derecha, así como el equilibrio izquierda-derecha durante la marcha.
Resultado 2: Ciclo de la marcha
El ciclo de la marcha puede calcularse midiendo el tiempo durante el cual el talón está en el suelo al caminar. Calculando el ciclo de la marcha, también se puede calcular el valor medio y la distribución del ciclo de la marcha.
Resultado 3: Función de absorción de impactos
Midiendo el tiempo que transcurre desde que el pie se apoya en el suelo hasta que la aceleración llega a cero, es posible medir el grado en que la rodilla es capaz de absorber el impacto.
2. Algoritmo del Podómetro Mediante Sensores de Aceleración de 3 Ejes
El algoritmo para reconocer el número de pasos dados por un podómetro que utiliza un sensor de aceleración triaxial incluye los siguientes ejemplos de cálculo. Para la detección del número de pasos sólo se utiliza el valor compuesto de los tres ejes, ya que si se refieren los ejes X, Y y Z a sus respectivos valores, dependería de la dirección en la que esté orientado el sensor.
El primer paso consiste en calcular los valores compuestos de tres ejes para caminar y los valores del eje XYZ. Si el sensor se mueve hacia delante, hacia atrás, a la izquierda, a la derecha o en diagonal, el valor compuesto de 3 ejes será un valor fuera de 1G durante el movimiento inicial.
El momento en el que el valor compuesto de 3 ejes se desvía de 1G se reconoce y procesa como el número de pasos dados. Aunque la forma de caminar difiere de una persona a otra, el valor compuesto triaxial suele ser inferior a 1G y, a continuación, superior a 1G. Contando el ciclo, puede detectarse el número de pasos tanto cuando se camina despacio como cuando se corre.