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利用高精度压力传感器提高健身跟踪器的精度

具有健康和健康跟踪功能的可穿戴设备越来越受欢迎。虽然加速度计通常作为这类应用中的关键运动传感器,但它们提供准确的垂直运动估计的能力有限,这对于准确确定爬坡时消耗的卡路里等参数至关重要。增加精确的大气压力传感器可以大大提高测量垂直运动的精度,同时也有助于验证来自其他传感器的信息。

现在,大气压力传感器已经具备了足够的灵敏度,能够探测到高度上的13厘米(厘米)的变化,并且具有紧凑、低功耗和坚固的形状,适合于可穿戴设计。

本文讨论了这类设备在健身跟踪器中的作用,并给出了一个空气压力传感器的实例。连接性测量专业它可以用于此应用程序,然后演示如何应用该应用程序。

高度计在健身跟踪器中的作用

健身跟踪产品的一个核心要素是使用诸如加速度计等设备的惯性运动传感,从这些设备中可以计算出所采取的步骤、行程和卡路里消耗等参数(图1)。然而,对这种传感器来说,垂直运动的测量是一个挑战。虽然像爬楼梯这样的活动在加速度剖面上与普通步行有很大的不同,因此可靠的检测是直接的,但单凭加速度很难区分单纯沿斜坡行走与在平地上行走。然而,所需的努力(以及消耗的卡路里)可能会有很大的不同。

一些消费者对健身跟踪准确性的研究发现,一些早期的设备在他们的估计中可能有高达30%的折扣。为了更准确地确定健身参数,健身追踪器需要一种简单可靠的方法来精确测量垂直运动。

Image of wearable devices with fitness tracking capability图1:具有健身跟踪功能的可穿戴设备在消费者中越来越受欢迎。(图片来源:Digi-key Electronics,来自TE Connectivity源材料)

大气压力传感器,或气压计,可以提供解决方案。在所有其他因素相同的情况下,大气压力取决于海拔高度,这一关系被称为“下降速率”,即大气变量随海拔变化的速率。因此,大气(或气压)压力传感器可以通过应用求解高度的气压公式来充当气压高度计的功能:

Equation 1方程式11

其中:

p是当前的压力。

P0是海平面的压力(h=0)

高度(H)以米(M)为单位。

这一公式包括几个假设,包括大气组成和15°C的环境温度,因此准确计算绝对高度需要更多的资料。然而,即使在不同的压力条件下,这个方程也仍然适用,并且只对温度条件有很弱的依赖性。因此,方程1只需比较连续两次压力测量的结果,就可以得到高度的精确变化。

海平面的标准气压约为1013毫巴(Mbar),因此一毫巴的压差相当于8米左右的垂直变化,这意味着使用方程1,需要高精度的压力测量来检测人体尺度上的垂直运动。幸运的是,现在有了足够精确的紧凑型压力传感器。

其中一个大气压传感器是MS5840-02BA微机电系统(MEMS)压力传感器来自TE连接测量专业(图2)。该装置提供24位大气压力和环境温度的测量,在高度计的应用中实现了13厘米的有效高度分辨率--这个分辨率足够精细,可以从一个台阶上检测到高度的变化。

Image of TE Connectivity MS5840-02BA air pressure sensor图2:紧凑的MS5840-02BA气压传感器模块在3.3x3.3毫米(毫米)和1.7毫米的高度中提供了高性能和高精度。(图片来源:TE Connectivity)

ms 5840将MEMS压力传感器与自定义ASIC结合在一起,该ASIC将模拟传感器信号数字化,并通过i提供主机设备接口。2C总线,因此在将其添加到健身跟踪器设计时不需要额外的组件。它是一个紧凑,表面安装模块,足迹为3.3 x 3.3毫米和高度1.7毫米,使它足够小,用于可穿戴设备。加强ESD保护使用接地,高耐久盖子,可作为一种选择,以防止人为产生的静电。

这些模块通过允许设计者对原始传感器读数进行一阶和二阶补偿来考虑设备和温度的变化,从而支持如此高的精度。每个设备在两个温度和两个压力下进行校准,以获得用于一阶计算的校准参数:

  • 参考温度-T参考文献
  • 参考温度传感器的压力灵敏度t1
  • 压力灵敏度温度系数
  • 参考温度关断时的压力偏移t1
  • 压力偏置温度系数
  • 温度-温度系数

对于一阶补偿,设计者必须检索设备的校准参数,并读取传感器的无补偿的24位数字压力(D1)和温度(D2)值.然后,实际温度与参考温度之差(dt=d2-T)。参考文献计算数字温度读数(TEP=2 0 0 0+dT x TEMPSENS),得到精度为0.0 1°C(2 0 0 0℃)的C级(˚C)。

使用校正的温度,设计者必须首先计算压力偏移量来修正压力读数(OFF=OFF)。t1+TCOx DT)与压力灵敏度(SENS=SENS)t1在当前温度下+TCS x DT)。然后用P=(d1xsens/2)计算0.01mbar精度(110002=1100.02 mbar)的毫巴温度补偿压力。21)/215.

一阶修正读数对暖空气有效.然而,在较低的温度下,传感器需要进行二阶校正,如图3所示。使用一阶校正的结果,对于低温度(中盒,>10˚C)或非常低温(最左边的温度,小于或等于10˚C),必须对温度和压力进行不同的重新计算。

Diagram of first and second order temperature readings (click to enlarge)图3:虽然一阶计算可以在暖空气中使用,但当温度降到20˚C以下和10˚C以下时,可能需要对传感器的读数进行二阶补偿。(图片来源:R.Quinnell,使用TE连接源材料)

进行一阶和二阶修正的结果是,在广泛的温度范围内,压力和温度读数都有很高的精度,如图4所示。

Graph of TE Connectivity MS5840 pressure sensor accuracy (click to enlarge)图4:通过执行一阶和二阶补偿,设计人员能够在较宽的温度范围内获得高精度的MS 5840压力传感器。(图片来源:TE Connectivity)

除了体积小和精度高外,MS 5840还具有其他几个特性,使得它特别适合可穿戴应用。它能够在1.5到3.6伏特的电压下工作,使它与1.8伏和3.3伏的逻辑设计兼容。它也是低功耗,待机电流牵引小于0.1微安培(A)。

操作电流将取决于传感器读数的频率和分辨率。内置模拟-数字转换器(ADC)使用一种带有可选过采样比(OSR)的Sigma-Delta转换方法.这使开发人员能够优化转换速度和耗电量之间的权衡。转换期间的峰值电流通常为1.25毫安(MA),但当OSR设置为最大值(8192)时,转换仅持续17毫秒(Ms),当以每秒一个样本读取时,转换的平均功率为20A。最小OSR设置(256)只需0.54 ms,平均为0.63毫秒。

传感器分辨率也受OSR设置的影响。这应该是权衡决策的一个因素。在完全OSR时,模块的分辨率为0.016 mbar,相当于13厘米以下的高度差。在最小OSR(25),分辨率为0.11毫巴-约90厘米。

压力传感器设计考虑

有一些系统设计考虑,开发人员试图使用压力传感器作为气压高度计需要记住。MEMS压力传感器本质上是安装在参考压力(或真空)下包含气体的气室盖上的硅薄板。板的顶部表面通过传感器封装中的开口或端口暴露在大气压下。室内压力和周围空气压力之间的差异会使平板弯曲,产生机械应变,产生比例的电信号。内置在MS 5840中的ASIC检测并数字化了该信号。

这需要将传感器暴露在周围的空气压力下,这意味着可穿戴设备的设计必须提供从传感器的端口到外部空气的清晰通道。然而,这样的路径不仅允许空气进入设备,还可以吸收水和污垢。因此,开发人员在可穿戴设备内放置传感器时必须小心,以避免空气通道阻塞,并在设备的外壳设计中尽量减少水进入的机会。

MS 5840是为避免此类问题而设计的。该模块使用分层结构来保护传感器(图5)。最底层是具有SMT焊垫的氧化铝基板,为装配提供机械稳定性。基板携带堆叠在ASIC上的mems传感器,提供信号调理、数字转换和i。2C接口。一个不透明的凝胶填补了电子组件和作为设备大气端口的不锈钢盖子之间的空间。

Image of TE Connectivity MS5840 pressure sensor module includes an opaque gel layer图5:MS 5840压力传感器模块包括一个不透明的凝胶层--在端口(顶部)和传感器组件(下面)之间显示的黑色材料--以保护电子产品不受光线、污垢和水分的影响。(图片来源:Digi-key Electronics,来自TE源材料)

这种凝胶有几种用途。其主要功能是将大气压力力传递到传感器表面。这种凝胶机械地将传感器连接到空气中,同时防止污垢和水分到达电子设备。由于凝胶是不透明的,它还提供额外的光保护,以避免光子引起的电子噪音.盖子包含凝胶,为模块提供额外的刚性,并有接地选项,提高模块的ESD免疫力。

开发人员可以利用这种分层结构使他们的可穿戴设备更耐水,方法是在传感器的盖子上附加一个O形环,并将传感器定位在可穿戴设备的外壳内,以便不锈钢端口与外壳的空气口保持一致。当设备完全组装时,外壳和传感器盖之间的O形环将密封外壳,防止污垢和水侵入设备,而凝胶保护传感器。

在将气压高度计集成到健身应用程序时要记住的另一个考虑因素是潜在的测量误差来源:风。移动的空气所产生的压力比静止的空气要小,所以在测量的同时,一股不合时宜的狂风会导致传感器上的空气压力暂时下降。气压信号中的这种“噪音”可能导致高度的突然变化。然而,健身监控设备开发人员可以通过验证加速度计读数的表观高度变化来减少这些错误。如果没有相应的加速度,则可以合理地忽略高度“跳跃”。

这种缓解措施是双向的。骑自行车的人在颠簸的路面上可能会产生一个加速的轮廓,似乎是爬楼梯。但是,如果明显的楼梯爬升没有引起高度变化,系统也可以考虑将加速度计读数忽略为环境噪声。

结语

随着可穿戴健身追踪器的激增,它们精确测量健康数据的能力正日益成为一个不同的因素。增加基于压力的气压高度计可以在许多方面提高可穿戴健身设备的准确性,特别是在消耗的卡路里方面。这些传感器也可以帮助验证来自其他传感器的信息。然而,为了适用于健身监测,压力传感器不仅必须是高精度的,它还必须能够在低功耗和很小的足迹。如图所示,TE连接MS5840-02BA提供精确、低功耗和小尺寸,适合于下一代可穿戴健身跟踪器。


(责任编辑:ioter)

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