Aumente la exactitud del rastreador de la condición física con los sensores de presión de alta precisión

Son cada vez más populares los dispositivos vestibles con capacidades para rastrear la salud y la condición física. Si bien los acelerómetros suelen presentarse como un sensor clave de movimiento en este tipo de aplicaciones, es limitada su capacidad de brindar un cálculo estimado exacto del movimiento vertical, que es fundamental para determinar con exactitud parámetros como las calorías que se gastan al subir una pendiente. Si se agrega un sensor de presión atmosférica de precisión, se puede mejorar en gran medida la exactitud al medir este movimiento vertical y ayudar a validar la información de otros sensores.

Ahora hay sensores de presión atmosférica que tienen la sensibilidad suficiente para detectar un cambio de altitud de tan solo 13 centímetros (cm), y vienen en factores de forma compactos, de baja potencia y resistentes, aptos para diseños vestibles.

En este artículo se aborda la función de tales dispositivos en los rastreadores de la condición física, se presenta un ejemplo de un sensor de presión de aire de TE Connectivity Measurement Specialties que se puede utilizar en esta aplicación, y luego se explica la manera de aplicarlo.

Función de los altímetros en los rastreadores de la condición física

Un elemento clave de los productos para rastrear la condición física es la detección del movimiento inercial mediante el uso de dispositivos como acelerómetros, a partir de los cuales se pueden calcular parámetros como los pasos que se dieron, la distancia que se recorrió y las calorías que se gastaron (Figura 1). Sin embargo, la medición del movimiento vertical supone un reto para estos sensores. Si bien una actividad como subir escaleras difiere bastante de la caminata habitual en su perfil de aceleración como para que la detección fiable sea sencilla, resulta difícil distinguir el simple hecho de caminar por una pendiente del hecho de caminar en terreno uniforme si solo se toma en cuenta la aceleración. No obstante, el esfuerzo necesario (y las calorías que se gastan) puede diferir en gran medida.

En algunos estudios de consumidores sobre la exactitud de rastreo de la condición física se halló que algunos dispositivos de primera generación pueden errar sus cálculos en hasta un 30%. Para determinar con mayor exactitud los parámetros de la condición física, los rastreadores de la condición física necesitan un medio sencillo y fiable para medir el movimiento vertical de manera exacta.

Figura 1: Son cada vez más populares entre los consumidores los dispositivos vestibles con capacidad de rastrear la condición física. (Fuente de la imagen: DigiKey, tomada del material de referencia de TE Connectivity)

La solución puede ser un sensor de presión atmosférica, o barómetro. Mientras que todos los demás factores se mantienen inalterables, la presión atmosférica depende de la altitud y sigue una relación conocida como “tasa de lapso”, que es la tasa a la que una variable atmosférica cambia con la altitud. Por lo tanto, un sensor de presión atmosférica (o barométrica) puede funcionar como un altímetro barométrico mediante la aplicación de la fórmula barométrica resuelta para la altura:

Ecuación 1¹

Donde:

P es la presión actual

P₀ es la presión a nivel del mar (h=0)

La altura (h) se indica en metros (m)

Esta fórmula incluye varias suposiciones, entre ellas la composición atmosférica y una temperatura ambiente de 15 °C, por lo que un cálculo exacto de la altura absoluta exigiría más información. Sin embargo, la ecuación todavía se aplica incluso en condiciones diferentes de presión y apenas depende de las condiciones de temperatura. Como tal, la ecuación 1 puede producir un cambio exacto en la altura mediante la simple comparación de los resultados de dos mediciones sucesivas de presión.

La presión atmosférica estándar a nivel del mar es de casi 1013 milibares (mbar), por lo que una diferencia de presión de un milibar corresponde a un cambio vertical de alrededor de 8 m. Ello implica que, mediante el uso de la ecuación 1, se necesite un alto grado de precisión en la medición de la presión a fin de detectar el movimiento vertical a escala humana. Por suerte, ahora hay sensores compactos de presión de suficiente precisión.

Uno de estos sensores de presión atmosférica es el sensor de presión de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) MS5840-02BA de TE Connectivity Measurement Specialties (Figura 2). Este dispositivo brinda mediciones de 24 bits de presión atmosférica y ambiente, a la vez que logra una resolución eficaz de altura de 13 cm en una aplicación de altímetro, lo suficientemente fina como para detectar el cambio de altitud al subir un solo escalón de la escalera.

Figura 2: El compacto módulo del sensor de presión de aire MS5840-02BA ofrece gran rendimiento y precisión en una superficie de 3.3 x 3.3 milímetros (mm) y una altura de 1.7 mm. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

El MS5840 combina un sensor de presión de MEMS con un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) personalizado que digitaliza la señal del sensor analógico y brinda una interfaz de dispositivo anfitrión a través del bus I²C, por lo que no se necesitan otros componentes al añadirlo al diseño de un rastreador de la condición física. Se trata de un módulo compacto de montaje superficial con una superficie de 3.3 x 3.3 mm y una altura de 1.7 mm, por lo que es bastante pequeño para utilizarse en dispositivos vestibles. A fin de brindar protección contra la estática que generan los humanos, se dispone de una protección mejorada contra descargas electrostáticas (ESD) mediante el uso de una tapa de alta resistencia como opción.

Los módulos soportan esta alta exactitud al permitir que los diseñadores realicen una compensación de primer y segundo orden de las lecturas brutas del sensor para tener en cuenta las variaciones del dispositivo y la temperatura. Cada dispositivo se calibra en fábrica a dos temperaturas y dos presiones para producir los parámetros de calibración que se utilizan en los cálculos de primer orden:

• Temperatura de referencia: T_REF
• Sensibilidad de la presión a la temperatura de referencia: SENS_T1
• Coeficiente de la temperatura de la sensibilidad de la presión: TCS
• Compensación de la presión a la temperatura de referencia: OFF_T1
• Coeficiente de la temperatura de la compensación de la presión: TCO
• Coeficiente de la temperatura de la temperatura: TEMPSENS

En el caso de la compensación de primer orden, los diseñadores deben recuperar los parámetros de calibración del dispositivo y leer los valores digitales de presión (D1) y temperatura (D2) de 24 bits no compensados del sensor. A continuación, se calcula la diferencia entre la temperatura real y la de referencia (dT = D2 - T_REF), que se utiliza para ampliar la lectura digital de la temperatura (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS) a fin de obtener grados centígrados (˚C) con una precisión de 0.01 °C (2000 = 20.00 °C).

Mediante el uso de la temperatura corregida, el diseñador debe modificar la lectura de la presión al calcular primero la compensación de la presión (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) y la sensibilidad de la presión (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) a la temperatura actual. Por lo tanto, la presión compensada por temperatura en milibares con una exactitud de 0.01 mbar (110002 = 1100.02 mbar) se calcula como P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Las lecturas corregidas de primer orden son válidas para el aire caliente. Sin embargo, a temperaturas inferiores, los sensores necesitan una corrección de segundo orden, como se muestra en la Figura 3. Mediante el uso de los resultados de la corrección de primer orden, se deben volver a calcular la temperatura y la presión de otra manera para temperaturas bajas (cuadro central, >10 °C) o muy bajas (cuadro más a la izquierda, igual o inferior a 10 °C).

Figura 3: Si bien los cálculos de primer orden se pueden utilizar con aire caliente, a medida que las temperaturas descienden a menos de 20 °C y menos de 10 °C, es posible que se necesite una compensación de segundo orden de las lecturas del sensor. (Fuente de la imagen: R. Quinnell, con el material de referencia de TE Connectivity)

El resultado de realizar las correcciones de primer y segundo orden es un alto grado de exactitud para las lecturas de presión y temperatura en un amplio rango de temperaturas, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Al realizar la compensación de primer y segundo orden, los diseñadores pueden obtener una alta exactitud en un amplio rango de temperaturas con el sensor de presión MS5840. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Además de su pequeño tamaño y alta exactitud, el MS5840 cuenta con otros atributos que lo hacen particularmente adecuado para las aplicaciones vestibles. Puede funcionar con un voltaje de suministro de 1.5 voltios a 3.6 voltios y es compatible con los diseños lógicos de 1.8 voltios y 3.3 voltios. También es de baja potencia, ya que su consumo de corriente de reserva es inferior a 0.1 microamperios (µA).

La corriente de funcionamiento dependerá de la frecuencia y la resolución de las lecturas del sensor. El convertidor analógico a digital (ADC) incorporado utiliza un enfoque de conversión sigma-delta con una relación de sobremuestreo seleccionable. De esta manera, los desarrolladores pueden optimizar la compensación entre la velocidad de conversión y el consumo de potencia. Por lo general, el consumo máximo de corriente durante la conversión es de 1.25 miliamperios (mA), pero si la OSR se fija al máximo (8192), la conversión solo dura 17 milisegundos (ms) para lograr una potencia media de 20 µA cuando se lee a una muestra por segundo. El ajuste mínimo de la OSR (256) tarda solo 0.54 ms para lograr un consumo medio de 0.63 µA.

El ajuste de la OSR también afecta la resolución del sensor. Esto debería ser un factor en las decisiones de compensación. Con la OSR completa, la resolución del módulo es de 0.016 mbar, lo que corresponde a una diferencia de altura de poco menos de 13 cm. Con una OSR mínima (25), la resolución es de 0.11 mbar, alrededor de 90 cm.

Consideraciones de diseño del sensor de presión

Existen algunas consideraciones de diseño de sistemas que necesitan tener en cuenta los desarrolladores que buscan utilizar un sensor de presión, como un altímetro barométrico. Un sensor de presión de MEMS es, en esencia, una placa fina de silicona montada como tapa de una cámara que contiene gas a una presión de referencia (o un vacío). La superficie superior de la placa se expone a la presión atmosférica mediante una abertura o un orificio en el paquete de sensores. La placa se flexionará debido a una diferencia entre la presión de la cámara y la presión del aire ambiente, lo que creará una tensión mecánica que genera una señal eléctrica proporcionada. El ASIC incorporado en el MS5840 detecta y digitaliza esa señal.

Esta necesidad de exponer el sensor a la presión del aire ambiente implica que el diseño de un dispositivo vestible debe brindar una vía clara desde el orificio del sensor hasta el aire externo. Sin embargo, dicha vía no solo permite que entre aire en el dispositivo, sino que también puede admitir agua y suciedad. Por lo tanto, los desarrolladores deben tener precaución al colocar el sensor en el dispositivo vestible para evitar la obstrucción de la vía de aire y al diseñar el receptáculo del dispositivo para minimizar la probabilidad de que entre agua.

El diseño del MS5840 evita esos problemas. El módulo utiliza una estructura en capas para proteger el sensor (Figura 5). La capa más inferior es un sustrato de alúmina con almohadillas de soldadura con tecnología de montaje superficial (SMT) que brinda estabilidad mecánica al conjunto. El sustrato tiene el sensor de MEMS apilado en el ASIC que brinda el acondicionamiento de señales, la conversión digital y la interfaz I²C. Un gel opaco rellena el espacio entre el conjunto electrónico y la tapa de acero inoxidable que funciona como orificio atmosférico del dispositivo.

Figura 5: El módulo del sensor de presión MS5840 incluye una capa de gel opaco, el material negro que se visualiza entre el orificio (parte superior) y el conjunto del sensor (parte inferior), para proteger los componentes electrónicos de la luz, la suciedad y la humedad. (Fuente de la imagen: DigiKey, tomada del material de referencia de TE)

El gel contribuye a lograr varios objetivos. Su función principal consiste en transferir la fuerza de la presión atmosférica a la superficie del sensor. El gel acopla por medios mecánicos el sensor al aire al evitar que la suciedad y la humedad lleguen a los componentes electrónicos. Además, debido a que el gel es opaco, brinda más protección contra la luz para evitar el ruido electrónico inducido por los fotones. La tapa contiene el gel, brinda al módulo más rigidez y, con la opción de conexión a tierra, mejora la inmunidad a las ESD del módulo.

Los desarrolladores pueden aprovechar esta construcción en capas para hacer que su dispositivo vestible sea más resistente al agua al colocar una junta tórica a la tapa del sensor y al posicionar el sensor en el receptáculo del vestible, de modo que el orificio de acero inoxidable se alinee con la abertura de aire del receptáculo. Si el dispositivo se monta por completo, la junta tórica entre el receptáculo y la tapa del sensor sellará el receptáculo contra la entrada de suciedad y agua en el dispositivo, mientras que el gel protegerá el sensor.

Otra consideración a tomar en cuenta al integrar un altímetro barométrico en una aplicación de condición física es una posible fuente de error de medición: el viento. El aire en movimiento ejerce menos presión que el aire inmóvil, por lo que una ráfaga de viento inoportuna puede provocar una pérdida temporal de la presión de aire en el sensor justo cuando se realiza una medición. Este “ruido” en la señal de la presión de aire puede provocar lo que parece un cambio abrupto en la altura. Sin embargo, los desarrolladores de dispositivos de supervisión de la condición física pueden mitigar esos errores al validar simplemente el cambio de altura evidente contra la lectura del acelerómetro. Si no hay una aceleración correspondiente, se puede ignorar el “salto” de altitud de manera razonable.

Tal mitigación funciona en ambos sentidos. Un ciclista que pasa por una superficie con baches puede generar un perfil de aceleración similar a una subida de escalera. Sin embargo, si esa evidente subida de escalera no produce ningún cambio de altitud, el sistema también puede considerar ignorar las lecturas del acelerómetro como ruido ambiental.

Conclusión

A medida que proliferan los rastreadores vestibles de la condición física, su capacidad de medir con exactitud los datos de salud es cada vez más un factor diferenciador. Si se agrega un altímetro barométrico basado en la presión, se puede mejorar la exactitud de los dispositivos vestibles de la condición física de muchas maneras, en particular con respecto a las calorías gastadas. Dichos sensores también pueden ayudar a validar la información de otros sensores. Sin embargo, para que se puedan aplicar en dispositivos vestibles de supervisión de la condición física, el sensor de presión no solo debe tener una alta precisión, también debe poder funcionar a baja potencia y tener una superficie muy pequeña. Como puede observarse, el MS5840-02BA de TE Connectivity brinda la exactitud, la baja potencia y el pequeño tamaño necesarios para adaptarse perfectamente a los rastreadores vestibles de la condición física de próxima generación.

Referencia

1. Un método de fusión de sensores para rastrear la velocidad vertical y la altura según mediciones de altitud inerciales y barométricas, Sabatina y Genovese. (Ecuación 27)