Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

что это, принцип работы, фото

Если вас интересует ответ на вопрос Акселерометр в телефоне  что это? Значит вы попали по адресу.

Все обладатели современных мобильных устройств наверняка знают, что такое автоповорот экрана. А те, кто любит игры на мобильных платформах ценят возможность управления ими при помощи поворотов телефона.

А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.

Содержание:

Именно эта небольшая деталь позволяет использовать телефон в качестве уровня, использовать приложения, наслаждаться играми, которым необходима информация о положении телефона в пространстве.

Что же собой представляет это устройство?

Суть понятия «акселерометр»

Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения кажущегося ускорения.

Кажущееся ускорение – это разница между гравитационным и истинным ускорениями объекта.

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза.

Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора.

Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.

Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:

  1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
  2. Автомобильные спидометры и видеорегистраторы также используют акселерометры. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
  3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
  4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты жестких дисков от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения.
    Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска. В эту же категорию можно отнести и акселерометры на телефонах и планшетах.

Принципиально простое устройство производится во множестве специализированных компоновок, каждая из которых предназначена для определенных целей.

В чем же особенность акселерометров в мобильных устройствах (телефоны, планшеты и пр.)?


к содержанию ↑

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.

В корпусе толщиной, скажем, шесть миллиметров должно размещаться огромное количество электроники, которая должна занимать минимум места.

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе, представленном выше.

Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:

К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками.

Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.

При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения.

Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.

Обратите внимание! Если акселерометр в телефоне не работает, то его придется менять в специализированных сервисных центрах.

Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами.

Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.


к содержанию ↑

Зачем акселерометр в смартфоне

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни.

Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone.

Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.

Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра.

За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью.

Применяется он для разнообразных служебных приложений.

Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.

Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр, в частности, шутеров.

Даже при таком широком применений акселерометр имеет еще много перспектив.

MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

“Хьюстон, у нас проблемы”, — устало раздалось в мозгу, пытающемся в ночи продраться сквозь Datasheet IMU MPU-9250 от InvenSense. Когда все слова в отдельности понятны, но взаимосвязь их запутана до невозможности. Началось всё с параметра LSB, про который я только смутно помнила, что в переводе это Least Significant Bit. Дальше пошли “Resolution”, “Sensitivity”, а ещё дальше я поняла, что получающийся текст уже можно озаглавить “Datasheet для чайников”.


Немного об основных блоках инерционного модуля.

MEMS-гироскоп

MPU-9250 состоит из трёх независимых одноосных вибрационных датчиков угловой скорости (MEMS гироскопов), которые реагируют на вращение вокруг X-, Y-, Z- осей. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям. С появлением угловой скорости эффект Кориолиса вызывает изменение направления вибрации (

, которое фиксируется емкостным датчиком. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения [Время Электроники]. Получившийся сигнал усиливается, демодулируется и фильтруется, давая в итоге напряжение, пропорциональное угловой скорости вращения. Данный сигнал оцифровывается с помощью встроенного в плату 16-битного АЦП. Скорость оцифровки (sample rate) может программно варьироваться от 3.9 до 8000 выборок в секунду (samples per second, SPS), а задаваемые пользователем фильтры низких частот (LPF) предоставляют широкий диапазон возможных частот среза. ФНЧ нужен, в том числе, чтобы убирать вибрации от моторов (как правило, выше 20-25 Гц).

Трёхосевой MEMS-акселерометр

Использует для каждой оси отдельную пробную массу, которая смещается при возникновении ускорения вдоль данной оси (фиксируются емкостными датчиками). Архитектура MPU-9250 снижает подверженность температурному дрейфу и вариациям электропараметров. При расположении устройства на плоской поверхности оно измерит 0g по X- и Y-осям и +1g по Z-оси.

Масштабный коэффициент

(scale factor — отношение изменения выходного сигнала к изменению выходного измеряемого сигнала) калибруется на заводе и не зависит от напряжения питания. Каждый сенсор снабжен индивидуальным сигма-дельта АЦП (состоит из модулятора и цифрового фильтра низких частот, подробнее про устройство в [Easyelectronics]), выходной цифровой сигнал которого имеет настраиваемый диапазон измерений.

И сразу про трёхосевой MEMS-магнетометр

Основан на высокоточной технологии эффекта Холла. Включает в себя магнитные сенсоры, определяющие напряжённость магнитного поля земли по осям, схему управления, цепь усиления сигнала и вычислительную схему для обработки сигналов с каждого датчика.

Каждый АЦП имеет разрешение 16 бит, диапазон измерений

. Для измерения слабых магнитных полей применяют либо единицу в системе СИ микротесла (мкТл), либо гаусс (Гс, система СГС):

, [Радиолоцман]).

Итак, что такое LSB и как его посчитать? Инструкция по добыче

Допустим, наш акселерометр сейчас работает в диапазоне измерений

, то есть полный размах возможных значений будет

. Соответствующие им значения напряжений оцифровываются 16-битным АЦП, который может разбить весь интервал максимально на

ступеней. Минимальный инкремент, который можно засечь, — это как раз одна ступенька

. Тут надо помнить, что счёт ведётся с нуля, так что на самом деле максимально измеряемое значение будет

. То есть, чем больше бит в цифровом слове АЦП или ЦАП, тем меньше будет расхождение. При этом

чувствительность (иногда называется масштабным коэффициентом, sensitivity scale factor)

датчика на конкретном диапазоне будет определяться как соотношение электрического выходного сигнала и механического воздействия.

Традиционно указывается для частоты сигнала 100 Гц и температуры

Для MPU-9250 чувствительность составляет

ступеней на каждые g или

(

,

), для другого IMU, BMI088 от Bosch Sensortec, чувствительность гироскопа высчитывается так же, а для акселерометра используется

ступеней на каждое g.

Варианты FS вытаскиваем из спецификации на гироскопы и, чтобы дважды не вставать, акселерометры.

FS для акселерометров я брала ещё и из документации на BMI088 (см. ниже).

Гироскоп, 16 бит Акселерометр, 16 бит
Диапазон (FS), (dps) LSB, (dps) Диапазон (FS), g LSB, mg
(FS = 250) 0,004 (FS = 4) 0,06
(FS = 500) 0,008 (FS = 6) 0,09
(FS = 1000) 0,0015 (FS = 8) 0,12
(FS = 2000) 0,03 (FS = 12) 0,18
(FS = 4000) 0,06 (FS = 16) 0,24
(FS = 24) 0,37
(FS = 32) 0,48
(FS = 48) 0,73

Всё, вроде бы, встало на свои места, можно идти дальше. В некоторых случаях (ниже, например, вырезка из документации на BMI088) отдельно указывается такой параметр, как разрешение (Resolution).

По факту, вроде бы, получается, что это должен быть LSB. Но почему тогда мы видим одно значение вместо нескольких, завязанных на конкретные диапазоны? Пришлось расширять список исследуемых источников в поисках ответов.

Что такое разрешение (Resolution)?

Минимальная величина, которую достоверно видит датчик, крайне важная при попытке соблюсти баланс между ценой и производительностью. Это не точность — сенсор с высоким разрешением может быть не особо точным, равно как и сенсор с малым разрешением в определённых областях может обладать достаточной точностью. К сожалению, LSB определяет лишь теоретическое минимально-различимое значение при условии, что мы можем использовать все 16 бит АЦП. Это разрешение в цифровом мире. В аналоговом какая-то часть ступеней будет зашумлена и число эффективных бит будет меньше.

Какие бывают характеристики шума и откуда что берётся?

Источники шума можно в общем разбить на электронный шум схемы, преобразующей движение в сигнал напряжения (джонсоновский тепловой шум, дробовой шум, розовый 1/f фликкер-шум и т. д.), и тепловой механический (броуновский, обусловленный наличием мелких подвижных частей) от самого сенсора. Характеристики последнего будут зависеть от резонансной частоты механической части системы

(собственной частоты колебаний сенсора

).

Среднеквадратичное значение шумов во всём спектральном диапазоне — Total RMS (Root mean square) Noise

Уровни шума можно определять несколькими способами. Можно рассматривать их во временной или частотной области (после преобразования Фурье). В первом случае берут остаточный шум как среднеквадратичное значение сигналов от неподвижного датчика (по факту это стандартное отклонение для выборки при

) за некоторый промежуток времени:

Ускорения или угловые скорости вращения меньше уровня широкополосного шума будут неразличимы — вот и фактическое разрешение. Среднеквадратичное значение переменного напряжения или тока (часто называется действующим или эффективным) равно величине постоянного сигнала, действие которого произведёт такую же работу в активной (резистивной) нагрузке за время периода. Наиболее эффективен такой подход при оценке широкополосного шума, где доминирует белый шум.

Для белого шума отношение амплитуды (мгновенного пикового значения) к среднеквадратчному с вероятностью 99.9% составляет Называется такое отношение крест-фактором (crest factor, cross ratio). Можно выбрать вероятность 95.5% — крест фактор будет равен 4.

На деле же сигналы шума ведут себя не так хорошо и могут выдавать пики, увеличивающие крест-фактор до 10 раз. В некоторых спецификациях можно найти значения или сам множитель.

В узкой низкочастотной полосе 0.1-10 Гц основную роль играет фликкер-шум “1/f”, для оценки которого используют значение размаха шумового сигнала (peak-to-peak).

Спектральная плотность

Иногда сигнал удобнее рассматривать в частотной области, где его описание называется

спектром

(зависимость амплитуды и фазы от частоты). Одна из возможных характеристик шума в спецификациях зовётся

power spectral density of noise (PSD), noise spectral density, noise power density,

или попросту

noise density

). Описывает распределение мощности шума по диапазону частот. Вне зависимости от представления электрического сигнала через ток или напряжение мгновенную рассеиваемую на нагрузке мощность можно нормировать (R = 1 Ом) и выразить её как

Средняя мощность, рассеиваемая сигналом в течение промежутка времени

Мощность – скорость поступления энергии. Через энергию определяются детерминированные и непериодические сигналы. Периодические и случайные сигналы выражаются через мощность, поскольку они не ограничены по времени и, соответственно, энергии, при этом в любой момент времени их средняя мощность отлична от нуля

Можно вспомнить [Sklyar], что произвольный периодический сигнал выражается через комбинацию бесконечного числа гармоник с возрастающими частотами:

что после представления косинуса и синуса в экспоненциальной форме

и замены

можно записать в виде

где комплексные коэффициенты (спектральные компоненты) ряда Фурье для

,

В общем случае эти коэффициенты представимы следующим образом:

Амплитудным и фазовым спектром называют графики зависимости

и

от частоты. Спектральная плотность мощности

периодического сигнала

даёт распределение мощности сигнала по диапазону частот:

и имеет размерность

Средняя нормированная мощность действительного сигнала будет

Непериодические случайные сигналы (в частности, шум) можно описать как периодические в предельном смысле. Если

стремится к бесконечности, последовательность импульсов превращается в отдельный импульс

, число спектральных линий стремится к бесконечности, график спектра превращается в гладкий спектр частот

Для данного предельного случая можно определить пару интегральных преобразований Фурье

и

где

— Фурье-образ.

Спектральная плотность мощности случайного сигнала определяется через предел

и описывает распределение мощности сигнала в диапазоне частот.

Поскольку мы предполагаем, что среднее для белого шума датчиков в неподвижном состоянии равно нулю (), то квадрат среднеквадратического значения равен дисперсии и представляет собой полную мощность в нормированной нагрузке:

Смотрим в спецификации — там на самом деле под именем спектральной плотности указан квадратный корень из неё с соответствующей размерностью

или

То есть значение RMS шума без указания полосы частот, на которой он считался (Bandwidth), бессмысленно.

Чуть подробнее про выбор полосы пропускания

На выходе MEMS-датчика мы получаем сигналы разной частоты. Предполагается, что мы заранее имеем некое представление об измеряемых нами процессах. К примеру, при определении вектора ускорения дрона шумом являются вибрации аппарата. Отделить их от полезного сигнала можно с помощью фильтра низких частот, который обрежет все частоты выше указанной (к примеру, 200 Гц). MPU-9250 предоставляет возможность настроить частоту среза фильтра низких частот с помощью параметра с магическим названием

DLPFCFG

. Расшифровывается он как Digital Low Pass Filter Configuration. Далее в спецификации там и тут всплывали не менее загадочные выражения типа (DLPFCFG = 2, 92Hz), но за расшифровкой пришлось лезть в другой документ, “Register Map and Descriptions”. Там показано, какие наборы битов в какие регистры надо записать для достижения желаемых эффектов:

Опуская технические подробности конфигурирования, можно сказать следующее. В данном датчике осуществляется настраиваемая фильтрация показаний не только акселерометров, гироскопов, но и температурного датчика. Для каждого существует в общей сложности от 7 до 10 режимов, характеризующихся такими понятиями, как полоса пропускания (Bandwidth) в Гц, задержка в мс, частота дискретизации (sampling frequency, Fs) в кГц.

В таблицу режимов фильтра акселерометра добавилась колонка «Плотность шума» в , а “Bandwidth” колонка дополнилась значением “3dB”.

Легче не стало, так что пройдёмся прямо по списку.

Наследие Древнего Рима

Частота дискретизации + децимация -АЦП = скорость обновления данных (digital output data rate, ODR)

С частотой дискретизации (она же частота семплирования) всё понятно — это количество взятых за секунду точек непрерывного по времени сигнала при его дискретизации АЦП. Измеряется в герцах.

Для того, чтобы в выборку попало значение, приближенное к пиковой амплитуде сигнала, важно брать частоту дискретизации минимум в 10 раз больше частоты полезного сигнала. MPU-9250 предлагает три варианта Fs = 32kHz, 8kHz, 1kHz.

Но это абсолютно не значит, что сигнал на выходе акселерометра или гироскопа появляется с тем же периодом.

Если взять те же дроны, тут всё упирается в борьбу за снижение энергопотребления, повышение скорости вычислений и снижение шума выходных данных. Можно понизить частоту обновления данных на выходе, позволив внутренним алгоритмам интегрировать входную информацию в течение некоторого периода времени. Среднеквадратичный понизится, но также сузится и полоса пропускания (датчик сможет засечь лишь те процессы, частота которых будет меньше 50% скорости обновления данных).

Тут лучше сразу вспомнить теорему Котельникова. Она обещает, что при дискретизации аналогового сигнала можно избежать потерь информации (то есть восстановить сигнал без искажений), если частота полезного сигнала будет не больше половины частоты дискретизации, называемой также частотой Найквиста. На практике классический антиалайзинговый фильтр (фильтр низких частот, уменьшающий вклад побочных частотных компонентов в выходном сигнале до пренебрежимо малых уровней — ГОСТ Р 8. 714-2010) требует в большинстве случаев разницу минимум в 2.5 раза [Siemens].

Для Fs = 32kHz частота Найквиста будет 16kHz. При этом полезный сигнал вряд ли выйдет за полосу fa = 20Hz (мало кто может менять направление движения чаще 20 раз в секунду). Итого, частота дискретизации значительно превышает частоту, требуемую для сохранения информации, содержащейся в полосе fa (40Hz, в 400 раз превышает), то есть полезный сигнал избыточно дискретизирован. Полоса между частотами fa и fs-fa не содержит никакой полезной информации. Можно уменьшить частоту дискретизации (на диаграмме это сделано с коэффициентом М, [7]), проредив последовательность семплов (отсчётов). Этот процесс и называется децимацией.

Согласно спецификации на MPU-9250, акселерометры снабжены сигма-дельта АЦП. Схемы на его основе потребляют минимальную мощность. Надо отметить, что полоса пропускания у данных преобразователей весьма узкая, не превышает звукового диапазона [Easyelectronics], но для штатного квадрокоптера больше и не нужно. Состоят они из двух блоков: -модулятора и цифрового децимирующего фильтра низких частот.

Зачем объединять фильтр низких частот и децимацию?

Честная выдержка из Вики:

Если исходный сигнал не содержит частот, превышающих частоту Найквиста децимированного сигнала, то форма спектра полученного (децимированного) сигнала совпадает с низкочастотной частью спектра исходного сигнала. Частота дискретизации, соответствующая новой последовательности отсчётов, в N раз ниже, чем частота дискретизации исходного сигнала.
Если исходный сигнал содержит частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала, то при децимации будет иметь место алиасинг (наложение спектров).

Таким образом, для сохранения спектра необходимо до децимации удалить из исходного сигнала частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала. В спецификации на MPU-9250 не очень много информации о характеристиках DLPF, но можно найти исследования энтузиастов [9].

Bandwidth, она же frequency response (частотный отклик)

диапазон частот, в котором датчик обнаруживает движение и выдает действительный выходной сигнал. В некоторых спецификациях приводится частотная характеристика датчика — зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешних механических воздействий с фиксированной амплитудой, но различными частотами. В пределах полосы пропускания неравномерность частотной характеристики не превышает заданной. В случае применения цифрового фильтра низких частот выбор полосы пропускания как раз позволяет изменять частоту среза, неизбежно оказывая влияние на скорость отклика датчика на изменения положения в пространстве. Частота среза обязана быть меньше половины скорости оцифровки (digital output data rate, ODR), называемой также частотой Найквиста.

Для акселерометров MPU-9250 границы полосы пропускания определяются так, чтобы внутри диапазона спектральная плотность сигнала отличалась от пиковой (на частоте 0 Гц) не больше, чем на -3дБ. Этот уровень примерно соответствуют падению до половины спектральной плотности (или 70.7% от пиковой спектральной амплитуды). Напомню, для энергетических величин (мощность, энергия, плотность энергии), пропорциональных квадратам силовых величин поля, выраженное в децибелах отношение

.

Итог: сигналы, прошедшие через ФНЧ, менее зашумлены, у них лучшее разрешение, но при этом меньшая полоса пропускания.

Поэтому указание разрешения в спецификации без привязки к полосе пропускания смысла не имеет.
Вернёмся к разрешению

В спецификации на MPU-9250 сведений о разрешении в принципе нет, для BMI088 под именем «Разрешение» представлены цифровое разрешение (LSB) и чувствительность»:

Оценить разрешение для каждой полосы пропускания можно по пиковому шуму Среднеквадратичная величина шума на выходе связана с указанной в спецификации спектральной плотностью (а вернее, корнем из неё) и эквивалентной шумовой полосой пропускания (equivalent noise bandwidth, ENBW, — полоса пропускания эквивалентной системы, имеющей прямоугольную АЧХ и одинаковые с исходной системой значение на нулевой частоте и дисперсию на выходе, при воздействии на входы систем белого шума):

А шумовая полоса пропускания связана с 3dB полосой коэффициентами, соответствующим порядку низкочастотного фильтра:

Судя по исследованию в [MPU9250_DLPF], наш выбор 1. 57. Полученное среднеквадратическое значение учитывает вклад белого шума (ни шума квантования, ни механического шума там нет). Например, для акселерометра расчётное значение для

получается

. При этом в спецификации отдельно указан полный среднеквадратичный шум

Расхождение значительное. К сожалению, он указан лишь для одной полосы, а для акселерометра BMI088 в спецификации указано только PSD. Так что будем использовать что есть. Кросс-фактор возьмём 4. Теперь самое интересное. Отношение

даст примерный порядок эффективных бит на данном диапазоне измерений, который прилично меньше 16-битного разрешения АЦП.


Delay (ms), или откуда берётся задержка

Из необходимости сохранять во внутреннем буфере переменные для деления фильтром сигнала на разные частоты

Итого. Чем ниже частота обрезания фильтра, тем меньше шума в сигнале. Но тут надо быть осторожным, потому что одновременно с этим вырастает и задержка. Кроме того, можно пропустить полезный сигнал [8].

MPU-9250 BMI088
Гироскоп, 16 бит
Диапазон (FS), (dps) Разрешение, бит (BW=92Hz) Диапазон (FS), (dps) Разрешение, бит (BW=64Hz)
8
9 9
10 10
11 11
12 12
Акселерометр
Диапазон (FS), g Разрешение, бит Диапазон (FS), g Разрешение (по X,Y), бит
6 8
7 9
8 10
9 11

И это лишь самые основные параметры.

Откуда что бралось:

  1. Самый приятный документ от Freescale Semiconductor — «How Many Bits are Enough?»
  2. [EE] — «Resolution vs Accuracy vs Sensitivity Cutting Through the Confusion»
  3. [Время электроники] — «МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы»
  4. [LSB] — «An ADC and DAC Least Significant Bit (LSB)»
  5. [Measurement Computing] — «TechTip: Accuracy, Precision, Resolution, and Sensitivity»
  6. [KIT] — «Акселерометры Analog Devices — устройство и применение»
  7. [Easyelectronics] — «Сигма-дельта АЦП»
  8. [Радиолоцман] — «Магнитометры: принцип действия, компенсация ошибок»
  9. [SO] — «Noise Measurement»
  10. [Mide] — «Accelerometer Specifications: Deciphering an Accelerometer’s Datasheet»
  11. [CiberLeninka] — Delta-Sigma ADC Filter
  12. [SciEd] — «Особенности реализации цифровой фильтрации с изменением частоты дискретизации»
  13. [MPU6050] — «Using the MPU6050’s DLPF»
  14. [MPU9250_DLPF] — MPU9250 Gyro Noise DLPF work investigation
  15. Understanding Sensor Resolution Specifications
  16. Siemens Digital Signal Processing
  17. МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics
  18. [TMWorld] — «Evaluating inertial measurement units»
  19. [Sklyar] – Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.

что это такое, принцип работы, функции

 

Что такое акселерометр в телефоне

Этот термин изначально происходит от латинского слова «accelero», которое в дословном переводе означает «ускоряю». Прибор, именуемый акселерометр, используется для измерения кажущегося ускорения или разницы между гравитационным и истинным ускорением физического тела или объекта.

Другое название прибора – G-сенсор. Реализация функции в смартфоне предполагает определение угла наклона аппарата относительно поверхности земли путем сопоставления трёх координат: X, Y и Z, или ширины, длины и высоты соответственно.

Специальное программное обеспечение отвечает за смену ориентации изображения на экране в зависимости от полученных датчиком координат.

Но «умный» прибор, обладающий компактными размерами (меньше 10-копеечной монеты), способен реагировать не только на изменение положения корпуса в системе координат. Дополнительно он воспринимает внешние воздействия, такие как встряхивание, толчок или поворот. В зависимости от настройки программных процессов и требований установленного приложения, каждое действие рождает ответную реакцию.

В каждом смартфоне присутствует ещё один датчик, способный улавливать изменение угла наклона, который именуется гироскоп. Его задача идентична и состоит в определении положение устройства относительно земной поверхности. Современные аппараты, для улучшения работы используют данные, получаемые сразу от двух датчиков, поэтому можно сказать, что они дополняют друг друга.

Принцип устройства и действия датчика

В классическом исполнении этот небольшой по размерам датчик имеет простую конструкцию и состоит из трёх компонентов: пружины, подвижной массы и демпфера.

Пружина закрепляется на неподвижной рамке. На её свободный конец прикрепляется грузик или масса, движение которого ограничено демпфером, необходимым для погашения вибраций, создаваемых при раскачивании.

При появлении ускорения наблюдается движение массы, приводящее к деформации пружины, что фиксируется измерительным блоком, преобразующим эти колебания в конкретные величины.

По завершению манипуляции за счёт пружины инертная масса занимает своё первоначальное положение. Датчик необходим для фиксации изменения уровня смещения относительно состояния покоя.

Также, когда речь заходит об акселерометре, вводится такое понятие, как ось чувствительности прибора. Всего их три, по числу составляющих системы координат. При наличии одной оси встроенный датчик сумеет передать изменение положение только в пределах чувствительности данной координаты.

К сведению!

Для достижения нормальной работы требуется три оси чувствительности, тогда происходит полноценное вычисление изменения положения устройства в трёхмерной системе координат.

Современные мобильные устройства имеют небольшие габариты, поскольку каждый производитель старается сделать свой флагман ультратонким. Поэтому разместить внутри корпуса классический акселерометр не представляет возможным. Он заменяется небольшой микросхемой, внутри которого имеется инертная масса, но нет пружины в стандартном её понимании, хотя чувствительные датчики могут чётко определять изменение угла наклона устройства.

Датчики для акселерометров изготавливаются в автоматическом режиме роботизированными станками. Для получения рабочего экземпляра требуется проведение химической реакции, при которой происходит взаимодействие силикона и иных элементов. Поскольку качество и точность будет зависеть от правильности расчётов и пропорций, то в условиях столь минимального размера добиться этого посредством физического воздействия невозможно.

Функции акселерометра и их применение

Наличие данного датчика в смартфоне является достаточно полезной функцией, поскольку с его помощью удается повысить комфортность использования устройства.

К сведению!

Человек, который успел ощутить всю прелесть телефона с акселерометром, уже не сможет использовать устаревшие модели, не имеющие G-сенсора, в силу отсутствия важных функций, являющихся уже привычными в современном мире.


Шагомер

Первым применением акселерометру станет использование его для определения количества пройденных шагов. Эта функция пригодится любителям спорта или людям, которые занимаются фитнесом. Также большое количество современных телефонов имеют приложения, позволяющие следить за собственным здоровьем, где обязательно присутствует шагомер. Точность показаний не является идеально точной, но позволяет корректировать собственный режим тренировок для повышения их результативности.

Управление в играх

Ещё одной важной функцией является возможность управления игровым процессом посредством изменения угла наклона. Особенно удобно это в гоночных играх, где смартфон с акселерометром станет заменой руля, подключаемого к ноутбуку или стационарному ПК с целью упрощения процесса и ощущения большего погружения в игру. Эффективность управления будет зависеть от амплитуды совершаемых движений.

Автоповорот экрана

Просмотр фотографии или видеоролика становится более комфортным при изменении ориентации экрана на горизонтальную. Это упрощает восприятие информации и позволяет меньше напрягать зрение. Отвечает за подобный процесс акселерометр. Также посредством изменения положения картинки на экране становится проще работать с документами или электронными таблицами.

Улучшение навигации

Посредством встроенного акселерометра улучшается работа геопозиционирования устройства в пространстве. Это может понадобиться при работе даже самого простого компаса, который будет реагировать на изменение положения устройства относительно системы координат.

Физическое управление смартфоном

Некоторые современные флагманы имеют возможность управления работой отдельных встроенных приложений посредством жестов или изменение положения устройства. Акселерометр применяется для смены трека музыкального плеера, отключения будильника, выключения звука входящего звонка при перевороте аппарата экраном вниз.

К сведению!

В большинстве случаев осуществление физического управления смартфоном следует активировать в настройках, для чего следует предварительно внимательно ознакомиться с руководством по эксплуатации или советами внутреннего помощника.


Включение и отключение функции

Не всегда функция автоповорота экрана включена по умолчанию, поэтому требуется изменение настроек смартфона, чтобы активировать акселерометр. Это можно сделать двумя способами:

  1. Посредством перехода в меню настроек, где необходимо выбрать пункт «Экран» и просто включить автоматический поворот экрана при изменении положения устройства.
  2. Путем активации нужной пиктограммы через шторку уведомлений, где находятся иконки для быстрого доступа к определенным функциям. Автоповорот экрана изображен в виде чуть склоненного смартфона и стилизованных штрихов, обозначающих движение.

В некоторых моментах автоматическое изменение изображения будет мешать. Для отключения этой функции можно воспользоваться указанными выше способами.

Калибровка датчика

Если существует проблема корректной работы датчика, следует производить его настройку и калибровку. Это достаточно простой процесс, который автоматизирован и потребует от пользователя выполнения минимума действий:

  1. Скачивание из PlayMarket бесплатного приложения.
  2. Установка смартфона на ровной поверхности.
  3. Включение утилиты и переход к пункту «Калибровка».

Далее весь процесс происходит в автоматическом режиме с оповещением пользователя о его завершении посредством появления соответствующей надписи.

Акселерометр не работает: что делать

Бывают ситуации, когда датчик перестаёт работать корректно или вообще отказывается функционировать даже после проведения калибровки. Проблема может быть вызвана программным сбоем или же выходом из строя самой микросхемы. В зависимости от причин появления необходим различный подход к устранению неполадки.

Программный сбой

В этом случае пользователю следует вспомнить последние установленные приложения, которые могли вызвать конфликт оборудования или программного кода. Первым делом рекомендуется удалить все новые приложения и опробовать акселерометр.

Если эти действия не привели к нужному результату, тогда вторым вариантом решения проблемы станет сброс до заводских настроек.

К сведению!

Перед осуществлением данной операции необходимо скопировать всю необходимую и важную информацию из памяти устройства на компьютер или внутрь облачного хранилища.


Для сброса телефона к заводскому состоянию следует выполнить следующие действия:

  • зайти в меню настроек смартфона;
  • выбрать пункт «Восстановление и сброс»;
  • активировать кнопку «Сброс до заводских настроек»;
  • подтвердить действие.

Через некоторое время пользователь получает полностью восстановленный телефон в том состоянии, в котором он был после приобретения.

Ещё одним способом «лечения» программного сбоя является обновление прошивки. При этом желательно подключить смартфон к сети WiFi, поскольку новая прошивка может «весить» гигабайты. Чтобы осуществить обновление программного обеспечения, необходимо перейти к пункту меню «Сведения о телефоне», далее выбрать строчку «Обновление ПО». Последует проверка наличия новых версий и, если они имеются, пользователю останется только скачать их на устройство и завершить процесс обновления.

Аппаратный сбой

Второй причиной, по которой может перестать работать акселерометр, является аппаратный сбой. Единственным способом восстановления нормального функционирования является обращение в специализированную мастерскую, где после проведения диагностических мероприятий мастер решит, какой вид ремонта требуется. Чаще всего осуществляется замена детали на новую, после чего работа аппарата восстанавливается.

Акселерометр является важной деталью, которая необходима для удобного использования современного умного устройства. Также подобные приборы применяются в космической отрасли, промышленности для контроля над вибрацией. Встретить акселерометр можно в жёстком диске, где он применяется для защиты от падений или сотрясений. Ещё раз узнать, что это такое, можно из представленного видео.

 

Принцип действия пьезоэлектрического акселерометра: как устроен, преимущества использования


Пьезоэлектрические акселерометры применяются для измерения амплитуды и частоты колебаний возникающих в результате вибрации поверхностей. Данное оборудование обеспечивает высокую точность показаний, благодаря простой, но вместе с тем эффективной конструкции.

Как устроен пьезоэлектрический акселерометр

Конструкция стандартных приборов данного тип, включает в себя активные элементы выполненные из пьезоэлектрического материала, выполняющего роль пружины и обеспечивающего механическую связь между соединенной с основанием стойкой имеющей треугольный профиль сечения и тремя сейсмическими массами. При воздействии колебаний на основание акселерометра, на пьезоэлектрические компоненты действует динамическая сила, равная произведению ускорения сейсмической массы на соответствующую массу. Пьезоэлементы генерируют электрический заряд пропорциональный действующей на них динамической силе. Сейсмические массы акселерометра не изменяются, а значит заряд на электродах пьезоэлементов, пропорционален ускорению этих масс. Амплитуда и фаза ускорения сейсмических масс в широком частотном диапазоне идентична амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра,  поэтому отдаваемый последним общий электрический заряд пропорционален ускорению его основания и, следовательно ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором акселерометр закреплен.

Преимущества эксплуатации пьезоэлектрических акселерометров

Эксплуатация пьезоэлектрических акселерометров обеспечивает высокую точность измерения механических колебаний. Оборудование применяется в метрологической сфере благодаря следующим преимуществам:

  • Широкий частотный диапазон;
  • Высокая устойчивость к факторам воздействия окружающей среды;
  • Линейная характеристика в широком динамическом диапазоне;
  • Отсутствие движущихся деталей положительным образом отражается на долговечности;
  • Активный преобразователь не нуждается в применении источника питания;
  • Выходной электрический сигнал, пропорциональны ускорению механических колебаний, можно преобразовать электрическим путем в сигнал, пропорциональный виброскорости или виброперемещению. 

Перечисленные и другие преимущества оборудования обеспечивают точность, надежность и простоту измерений при проведении различного рода работ.

Информацию по способам и методам поверки акселерометров, а также стоимости данной услуги в Первом Метрологическом Центре Вы можете узнать на нашем сайте.

Что такое акселерометр в смартфоне и фитнес-браслете? Объясняем на пальцах, как он работает

Последнее обновление:

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Казалось бы, акселерометрам в смартфонах уже «сто лет» и все, кому интересно было узнать, что это такое и как оно работает, давно прочли какую-то статью или посмотрели ролик в YouTube.

Мне действительно так казалось, пока я не почитал самые популярные выдачи Google по этому запросу. К удивлению, это были либо совершенно бестолковые и поверхностные статьи, перепечатанные копирайтерами, пишущими параллельно о моде и политике, либо статьи в стиле «как максимально сложно рассказать о простом».

Такая ситуация, конечно же, не может не радовать, ведь у нас появился отличный повод для новой интересной статьи!

Итак, что такое акселерометр — знают, наверное, все. Этот датчик используется в телефонах для определения положения устройства и автоматического поворота экрана. Также некоторые смартфоны используют акселерометр для определения падения, чтобы автоматически спрятать выдвигающуюся моторизированную селфи-камеру. Среди наших обзоров было много таких аппаратов.

Кроме того, акселерометр является сердцем всех смарт-часов и фитнес-трекеров, ведь именно он отслеживает любое движение пользователя. Да и на смартфонах есть шагомеры, также использующие акселерометр.

Остается лишь один и самый главный вопрос:

Как работает акселерометр?

Давайте на секундочку отбросим все эти технологии и подумаем, как вообще можно сделать устройство, которое бы показывало, скажем, угол своего наклона. Самое простое, что приходит на ум — это стеклянная колбочка с пузырьком воздуха внутри:

Если представить, что слева находится верхняя часть колбы (обозначим ее красным цветом), а справа — нижняя (синий цвет), тогда можно очень легко определять положение колбы в пространстве:

Когда пузырек окажется возле «красной» стороны — колба стоит вверх головой, а когда возле «синей» — она перевернута вверх ногами.

С этим, думаю, всё предельно ясно. Чтобы аналогия ближе отображала суть реального акселерометра, давайте заменим колбу с жидкостью и пузырьком на грузик, который закреплен на гибкой подвеске:

На картинке наше устройство лежит горизонтально на боку, поэтому грузик не провисает. Но если развернуть его в вертикальное положение, гибкие стержни сразу же прогнутся под весом грузика:

Из-за этого мы всегда будем знать, в каком положении находится наше устройство. Ведь грузик будет опускаться вниз под действием силы тяжести, которая прижимает все объекты, включая нас с вами, к центру земли. Да, мы не проваливаемся сквозь пол или асфальт, так как есть гораздо более мощная сила, отталкивающая нас от других объектов, но об этом чуть позже.

Обратите внимание на то, что наше примитивное устройство уже может не только показывать, держим ли мы его нормально или вверх ногами, но также и измерять ускорение!

Представьте, что будет, если мы резко поднимем это устройство вверх, когда грузик уже провисает на стержнях под своей тяжестью? Верно, он на короткое время прогнет гибкие стержни еще сильнее, а затем вернется к своему изначальному положению:

Точно также поведут себя стержни, если мы положим устройство на бок и затем резко переместим его влево. В этом случае, из-за ускорения, грузик на мгновение прогнет стержни в обратную сторону.

Это интуитивно понятно, так как каждый из нас на себе ощущал подобный эффект при разгоне автомобиля, когда во время быстрого ускорения нас прижимает к сидению, то есть, мы движемся в противоположную сторону ускорению автомобиля.

Получается, мы уже можем не только говорить о самом факте ускорения, но даже и вычислить его силу. Ведь чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение. Это как с автомобилем — чем быстрее разгон, тем сильнее нас прижимает к сидению.

Вот мы и разобрали базовый принцип работы акселерометра! Какой-то грузик под действием силы тяжести провисает на тонком гибком стержне. Если мы развернем телефон на 180 градусов, тогда стержни прогнутся в противоположную сторону.

Но, заметьте, что такое устройство сможет определять только верх и низ, а также ускорение вверх или вниз. Стержни не будут прогибаться влево или вправо, а также наше устройство не будет реагировать на ускорение вперед/назад (вглубь экрана):

К сожалению, одним акселерометром нам не обойтись, так как он будет измерять положение и ускорение устройства только по одной оси (в нашем примере — оси Y или вверх/вниз. И такие акселерометры действительно существуют — это одноосевые акселерометры.

Если мы хотим измерять положение и/или ускорение по всем осям (X, Y и Z или влево/вправо, вверх/вниз и от нас/к нам), тогда нам нужны 3 акселерометра или 3 отдельных грузика, которые будут размещаться внутри смартфона или фитнес-трекера соответствующим образом:

Такой акселерометр будет называться уже 3-осевым. В более дорогих фитнес-браслетах и смарт-часах есть 6-осевые датчики. Это значит, что помимо 3-осевого акселерометра, у них также есть 3-осевой гироскоп. Но об этом сенсоре мы поговорим как-нибудь в другой раз.

А как выглядит реальный акселерометр?

Я много времени уделил довольно простой (даже банальной) аналогии с грузиками, но что на самом деле размещается внутри смартфона или браслета? Вы же не думаете, что там внутри есть крохотная коробочка, в которой жестко закреплены гибкие стержни с подвешенными грузиками?

А зря! Ведь именно так и есть, только сами стержни и грузики выглядят немножко по-другому.

Существует целый класс устройств под названием MEMS (микроэлектромеханические системы). Сюда входят не только акселерометры, но и гироскопы, микрофоны, барометры и другие датчики. Отдельные «запчасти» этих крошечных механизмов могут быть в 100 раз тоньше человеческого волоса!

То есть, суть MEMS и заключается в том, чтобы использовать классические механизмы, но очень маленького размера.

Вот как схематически можно представить MEMS-акселерометр смартфона или смарт-часов, который отслеживает движение только влево-вправо:

Зеленым цветом здесь показан грузик, а темно-серым — гибкие стержни, которые прогибаются при ускорении смартфона или наклонах влево-вправо. Не обращайте пока внимание на синие палочки и на странную форму грузика.

Стержни и грузик могут выглядеть по-разному. Вот снимок под микроскопом реального MEMS-акселерометра, который также отслеживает движение/ускорение по одной оси X (влево-вправо):

Здесь мы видим немного другую форму грузика, а вместо стержней используется гибкая подвеска. Обведу их разными цветами, чтобы было понятней, где что находится:

Существуют и другие формы, но принцип один и тот же.

На этом моменте может показаться, что принцип работы акселерометра понятен. В смартфоне или фитнес-трекере на самом деле установлен микроскопический механизм, состоящий из грузика и гибкого подвеса. Но как использовать этот механизм?

Представьте, что вы роняете телефон и он падает на землю. Естественно, минимум один из акселерометров срабатывает, так как его грузик из-за ускорения смартфона отклоняется в обратную сторону. Но что дальше? Как смартфон знает, куда, как сильно и какой конкретно грузик отклонился?

Мы видим это глазами, но у смартфона внутри корпуса нет глаз. Или как фитнес-браслет при взмахе рукой «знает», что какой-то из микроскопических грузиков куда-то отклонился?

Для ответа на эти вопросы нам нужно разобраться еще с одним интересным физическим явлением. Давайте сконструируем что-то вроде примитивного аккумулятора, который можно очень быстро заряжать и разряжать. Сделать его можно буквально за пару минут из подручных средств.

Необходимо взять две металлические пластинки, прикрепить к ним провода и… всё! Если мы разместим эти пластины достаточно близко друг к другу, но только так, чтобы они не соприкасались, тогда у нас получится такая интересная «батарейка»:

Интересна она по той причине, что заряжать ее можно мгновенно (за доли секунд), но и отдает свой заряд она также мгновенно. Использовать такую «батарейку» в качестве аккумулятора невозможно, ведь она не способна отдавать заряд постепенно в течение долгого времени.

Как же это работает?

Когда мы подключаем к двум пластинкам настоящую батарейку, к одной из этих пластинок устремляются триллионы электронов — крошечных «сгустков» энергии.

В то же время батарейка начинает «вытягивать» электроны из другой пластинки. Это происходит по той причине, что разные концы батарейки имеют разный заряд — отрицательный («минус») и положительный («плюс»).

Положительный заряд батареи будет притягивать к себе электроны с синей пластинки (они имеют отрицательный заряд), а отрицательный заряд, на котором у батарейки уже очень много электронов, будет стремиться избавиться от них и выталкивать электроны на красную пластинку:

В общем, весь этот процесс закончится тогда, когда уже будет не хватать «давления» (напряжения) в батарейке, с которым она выталкивает одни электроны и притягивает другие.

Когда мы отключим батарейку от пластинок, то одна из них теперь будет хотеть избавиться от лишних электронов, а другая наоборот — их притянуть. Но сделать это напрямую не получится, ведь между пластинками есть «изоляция» — воздух:

Если бы мы подключили к этим пластинкам, например, лампочку, тогда она бы на мгновение ярко засветилась. Половина электронов от красной пластинки устремятся к синей, чтобы их везде оказалось поровну и пластинки «не испытывали» никакого давления. А движение электронов по проводам — это и есть ток, который «зажжет» лампочку.

Какое отношение всё это имеет к механическому акселерометру?

Чтобы соединить все точки рассказа, нужно знать еще одну маленькую деталь.

Дело в том, что мы легко можем узнать ёмкость нашей самодельной «батарейки» (я называю ее батарейкой для простоты восприятия, на самом деле такое незамысловатое устройство называется конденсатором). Под словом «ёмкость» я имею в виду количество заряда, которое пластинка может накопить, а затем отдать.

Как вы думаете, от чего зависит эта ёмкость? Конечно, сразу интуитивно напрашивается ответ — от размера пластинок. Ведь чем она крупнее, тем больше туда физически может поместиться электронов:

Мы видим, что справа больше электронов, а значит, эти две пластинки могут накопить больший заряд, соответственно, ёмкость правого конденсатора («батарейки») — выше.

Но есть еще один способ изменить ёмкость пластинок, не меняя их размер. Он следует из закона Кулона, суть которого заключается в том, что сила, с которой одни заряженные частички притягиваются к другим, зависит от расстояния между ними.

Дело в том, что между этими двумя пластинками появляется электрическое поле — невидимая сила, притягивающая разноименно заряженные частички (+ и ) и отталкивающая одноименно заряженные частички ( и или + и +). Для этой силы ни воздух, ни другая изоляция не является помехой или преградой.

Именно поэтому невозможно сделать конденсатор из одной пластинки. Мы просто не «затолкаем» туда электроны, так как они будут моментально отталкиваться обратно. Но когда появились две пластинки с разными зарядами, появилась и сила, удерживающая этот переизбыток зарядов.

Согласно закону Кулона, чем ближе будут пластинки, тем выше будет сила взаимодействия между заряженными частичками, которая удерживает их, и мы сможем затолкать еще больше электронов при том же размере пластинок:

Это должно быть понятно даже интуитивно, так как все мы пробовали соединять два магнитика. Чем ближе они друг ко другу (при условии, что мы соединяем их разные полюса или «плюс» и «минус»), тем сильнее они притягиваются друг ко другу.

И вот теперь наших знаний достаточно, чтобы ответить на вопрос, как же на самом деле работает акселерометр в смартфонах и фитнес-браслетах.

Давайте посмотрим на 3D-модель вот такого микромеханического акселерометра:

Здесь мы видим «грузик» синего цвета на гибких подвесках (также синего цвета) по краям. Это акселерометр, который работает только по оси X, то есть, грузик смещается влево-вправо (на картинке он уже смещен вправо).

А теперь обратите внимание на темно-серые палочки. Я нарисую схематически вот этот кусочек, чтобы остальная часть акселерометра нам не мешала:

Так вот, синяя верхняя вертикальная палочка на грузике — это и есть одна из пластинок «батарейки» (конденсатора), которую мы только что подробно рассмотрели. Соответственно, серая палочка вверху — вторая пластинка (см. картинку ниже).

На эти пластинки подается заряд и, когда грузик движется вправо, верхние пластинки прижимаются друг к другу, но не соприкасаются. А внизу происходит обратная ситуация — две пластинки отдаляются друг от друга:

Так как две верхние пластинки приблизились вплотную друг к другу, то и заряд на них максимальный, то есть, мы говорим, что ёмкость верхнего конденсатора максимальна. А на двух нижних пластинках, напротив, заряд минимален, так как расстояние между ними увеличилось, соответственно, сила взаимодействия также снизилась.

Акселерометр непрерывно измеряет емкость такой пары конденсаторов — двух верхних и двух нижних пластинок. И по ним очень легко определяет, насколько грузик отклонился от состояния покоя:

  • Если ёмкость верхних пластинок максимальна, а нижних — минимальна, значит, грузик ушел максимально вправо
  • Если ёмкость верхних пластинок минимальна, а нижних — максимальна, значит, грузик ушел максимально влево
  • Если ёмкость верхних и нижних пластинок одинакова, значит грузик находится в состоянии покоя и акселерометр не зафиксировал никакого движения по оси X (влево-вправо)

Кроме того, мы можем легко определять ускорение устройства по степени (амплитуде) отклонения грузика.

Еще раз посмотрим это на увеличенной 3D-модели:

Акселерометр мобильных устройств работает с ничтожно малыми емкостями и зарядами, так как эти пластинки микроскопического размера. Поэтому в акселерометре не одна пластинка, а множество. И все верхние пластинки соединены между собой в одну, как и все нижние — между собой.

Грузик также является одной общей пластинкой, которая подключается к питанию с одной стороны стержня (на картинке этот контакт я подписал словом «грузик», хотя сам грузик синего цвета находится, естественно, посередине):

То есть, по сути, акселерометр состоит из двух конденсаторов («батареек»): одной большой верхней пластины с ребрами и грузика, а также одной большой нижней пластины с ребрами и того же грузика. Смартфон непрерывно измеряет ёмкости этих двух конденсаторов и сразу же понимает, что произошло какое-то движение, как только емкости меняются.

Вот и весь принцип работы этого крохотного инженерного чуда! Теперь дело остается за малым. Нужно просто связать определенное изменение ускорение акселерометра по всем осям с определенным действием.

К примеру, вот так выглядит изменение ускорения по всем 3 осям акселерометра моего фитнес-браслета, когда я просто иду:

© Deep-Review

Мы видим, что ускорение заметно изменяется только по одной оси X (показано синим цветом). А вот какие показания акселерометра будет регистрировать фитнес-браслет, когда я побегу:

© Deep-Review

Здесь мы видим, что из-за увеличения скорости движения рук увеличилась и сила ускорения. Кроме того, заметно изменяется ускорение не только по оси X, но и по оси Y (показано желтым цветом). Ведь при ходьбе мои руки были опущены вниз, а во время бега — полусогнуты.

Таким образом, браслету не составляет никакой трудности, например, автоматически определить ходьбу или бег. Ведь «рисунок» изменения ускорения по всем осям очень характерен для каждого вида активности.

При желании трекеры могли бы очень легко определять даже такие занятия, как чистка зубов или игра в теннис (при ударе ракеткой происходит характерное движение кистью, которое очень легко отследить по акселерометру).

Алексей, глав. ред. Deep-Review

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

 

принцип работы и функциональные возможности

Статьи о мобильных телефонах


Среди наиболее интересных и полезных функций современных смартфонов особое внимание заслуживает функция автоматического поворота экрана, которая обеспечивается компактным устройством под названием акселерометр. Именно этот модуль снабжает блок управления смартфоном информацией о положении гаджета в пространстве. По сути, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение, которое представляет собой разность между гравитационным и истинным ускорениями. Основными составными частями акселерометра являются подвижная масса, пружина, которая крепится к неподвижной поверхности и демпфер. Подвижная масса с одной стороны крепится к пружине, а с другой стороны демпфер гасит собственные ее колебания. При движении происходит ускорении массы и пружина деформируется. Измерение линейных деформаций служит основанием для показаний прибора. Для получения информации о положении тела в трехмерном пространстве в одну систему объединяются три таких прибора по трем осям.

Особенности акселерометров в мобильных устройствах

Главным требованием к модулю акселерометра для мобильных устройств является компактность. Очевидно, что в корпусе толщиной до 10 мм должно располагаться огромное количество микросхем, занимая минимум места. Инженерам удалось спроектировать совсем миниатюрный акселерометр. Все конструктивные элементы интегрированы в одной микросхеме, а принципиальная схема конструкции вкратце описывается следующим образом. На фиксированном корпусе (1) параллельно размещенны тонкие контакты (2) и на упругих держателях крепится подвижная масса (3), выполненная в виде тонкой рамки с отведенными в сороны проводниками и допускающая перемещение в определенных пределах. Отведенные в сторону проводники располагаются между контактами, через которые снимаются значения перемещения проводников. Объектом измерения выступает напряженность поля вокруг контактов, которая изменяется при движении направленных в сторону проводников. Производить столь миниатюрные детали путем механической обработки практически невозможно, поэтому для производства таких элементов используют химическую обработку. Производство акселерометров происходит на автоматизированных конвейерных линиях, где решающее значение имеет точное время нанесения и удаления реактива.

Функциональные возможности и сферы применения

  • Смартфоны и планшеты

    Пионером использования акселерометра стал телефон Nokia 5500, в котором устройство использовалось для определения количества пройденных шагов. Но массовое распространение акселерометра в мобильных устройствах началось после его появления в Apple iPhone, после чего наличие такой функции стало практически стандартом для мобильных гаджетов. Параллельно разработчики создавали все больше полезных приложений с использованием акселерометра. После функций шагомера, применение акселерометра в мобильных устройствах перешло на качественно новый уровень, когда он использовался уже операционной системой, а также с его помощью было реализовано управление в играх. В настоящее время его использование становится все более разнообразным для различных служебных приложений. Например, с помощью акселерометра и технологии беспроводной связи были созданы ряд приложений для передачи информации посредством соударения устройств. В современных телефонах и планшетах акселерометр используется в сочетании с гироскопами, создавая обширные возможности для реализации сложных игр, например, шутеров. Не стоит сомневаться, что потенциал использования акселерометра раскрыт еще далеко не полностью.

  • Информационные технологии

    Акселерометры также применяются в информационных технологиях для защиты от падений и сотрясений жестких дисков, выдавая при падении управляющую команду считывающим головкам на парковку в безопасном положении. Таким образом, вероятность выхода диска из строя и потери информации существенно снижается.

  • Системы контроля промышленного оборудования, производственных линий и агрегатов

    Задачей систем защиты оборудования является контроль вибрации с помощью акселерометра с отключением его от электрического напряжения при достижении критических значений.

  • Автомобильные спидометры и видеорегистраторы

    Если первые используются для определения скорости по отклонению массы, то второй тип устройств работает по принципу определения значимых событий (например, экстренного торможения или резкого изменения скорости) с последующей фиксацией их в отдельные файлы.

  • Навигационные устройства летательных аппаратов

    Сложно представить вертолеты, самолеты, ракеты и другие виды летательных аппаратов без современных систем навигации, построенных с использованием акселерометров и гироскопов.

Автор: MC,
18.02.2018 г.

Поделиться с друзьями:
Предложения магазинов

    Предложения магазинов


Акселерометр – что это такое и зачем используется в смартфоне, принцип работы

Акселерометр, или же G-sensor — датчик определяющий угол наклона девайса относительно земли. Каждый владелец смартфона пользуется такой функцией, как автоповорот экрана, а любители мобильных игр сталкивались с управлением автомобилем с помощью наклона телефона.

Этот датчик неплохо дополняет функциональные способности смартфона. Вот основной перечень его функций:

  • Автоматический поворот экрана при смене ориентации смартфона в пространстве.
  • Управление в играх
  • Реакция аппарата на конкретные жесты, и проведение определенных операций (изменение музыкального трека, выключение будильника либо отмена звонка). Например, встряхивание телефона, «постукивающие» движения либо поворот телефона экраном вниз.
  • Распознавание и демонстрирование расположения в пространстве при помощи различных, в том числе и навигационных, программ. Например, компас.
  • Отслеживание активности человека. Самое распространенное применение — подсчет количества шагов и пройденной дистанции

Принцип работы устройства

Акселерометр, это маленький чип, установленный на плате вашего аппарата. Если объяснить просто, то он состоит из инертной массы, прикрепленной к подвижной, гибкой составляющей части. Эта составляющая крепится к неподвижному элементу. С целью подавления случайных или ненужных микроколебаний инертная масса крепится к демпферу.

В период вращения в пространстве или тряске, встроенная в акселерометр, инертная масса реагирует на инертную силу. Чем выше сила наклона, вращения или тряски, тем сильнее деформируется подвижная часть. После всего этого инертная масса возвращается в исходное положение благодаря гибкой, подвижной составляющей чипа акселерометра.

Датчик замеряет уровень смещения от уровня состояния покоя. Эта информация преобразуется в электросигнал, а потом отправляется на обработку электронике и программному обеспечению. Благодаря предоставленной информации программа способна определить различия в физических изменениях расположения смартфона.
Но это была описана упрощенная модель работы акселерометра. Изготовление мобильны акселерометров требует огромнейшей точности расчетов и пропорций. Вручную создать его нельзя, процесс изготовления автоматизирован и применяется химическая реакция среди различных элементов. Акселерометр позволяет перейти на другой, более удобный уровень управления девайсом и играми.

Читайте также:

Акселерометр

: что это и как работает

Акселерометр – это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции. Сила, вызванная вибрацией или изменением движения (ускорением), заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который производит электрический заряд, пропорциональный приложенной к нему силе. Поскольку заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то заряд также пропорционален ускорению.Эти датчики используются по-разному, от космических станций до портативных устройств, и есть большая вероятность, что у вас уже есть устройство с акселерометром в нем. Например, сегодня почти все смартфоны содержат акселерометр. Они помогают телефону узнать, испытывает ли он ускорение в каком-либо направлении, и по этой причине дисплей вашего телефона включается, когда вы его переворачиваете. В промышленных условиях акселерометры помогают инженерам понять устойчивость машины и позволяют им отслеживать любые нежелательные силы / вибрации.

Подробнее об акселерометрах

КАК ВЫБРАТЬ АКСЕЛЕРОМЕТР?
  1. Какую амплитуду вибрации следует контролировать?
  2. Какой частотный диапазон нужно контролировать?
  3. Каков температурный диапазон установки?
  4. Каков размер и форма исследуемого образца?
  5. Есть ли электромагнитные поля?
  6. Есть ли в этом районе высокий уровень электрических шумов?
  7. Заземлили ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?
  8. Является ли окружающая среда агрессивной?
  9. Требуются ли в данной области искробезопасные или взрывозащищенные приборы?
  10. Область влажная или вымытая?

Как работает акселерометр?

Акселерометр работает с использованием электромеханического датчика, который предназначен для измерения статического или динамического ускорения. Статическое ускорение – это постоянная сила, действующая на тело, например сила тяжести или трение. Эти силы в значительной степени предсказуемы и однородны. Например, ускорение свободного падения постоянно и составляет 9,8 м / с, а сила гравитации почти одинакова во всех точках Земли.

Силы динамического ускорения неоднородны, лучший пример – вибрация или удары. Автокатастрофа – отличный пример динамического ускорения. Здесь изменение ускорения внезапно по сравнению с его предыдущим состоянием.Теория акселерометров заключается в том, что они могут определять ускорение и преобразовывать его в измеримые величины, такие как электрические сигналы.

Типы акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры (датчики вибрации) бывают двух типов. Первый тип – это акселерометр с выходом заряда с «высоким импедансом». В этом типе акселерометра пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами. Для вывода заряда требуются специальные приспособления и приборы, которые чаще всего встречаются в исследовательских центрах. Этот тип акселерометра также используется в высокотемпературных приложениях (> 120 ° C), где нельзя использовать модели с низким импедансом.

Второй тип акселерометра – это акселерометр с низким сопротивлением на выходе. Акселерометр с низким импедансом имеет акселерометр заряда в качестве переднего конца, но имеет крошечную встроенную микросхему и транзистор на полевом транзисторе, который преобразует этот заряд в напряжение с низким импедансом, которое может легко взаимодействовать со стандартными приборами. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности.Источник питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащее питание микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и снимает уровень смещения постоянного тока, они обычно вырабатывают выходной сигнал с нулевым отсчетом до +/- 5 В в зависимости от Номинальное значение акселерометра в мВ / г. Все акселерометры OMEGA (R) относятся к этому типу с низким импедансом.

Основные области применения акселерометров

Акселерометры

находят множество применений в различных отраслях промышленности. Как уже говорилось, вы можете найти их в самых сложных машинах для ваших портативных устройств.Давайте посмотрим на некоторые практические применения акселерометров. Цифровые устройства: Акселерометры в смартфонах и цифровых камерах отвечают за поворот дисплея в зависимости от того, в каком положении вы его держите.

Транспортные средства: Изобретение подушек безопасности за годы спасло миллионы жизней. Акселерометры используются для срабатывания подушек безопасности, поскольку датчик посылает сигнал при внезапном сотрясении. Дроны: Акселерометры помогают дронам стабилизировать ориентацию в полете. Вращающееся оборудование: Акселерометры, используемые во вращающихся машинах, обнаруживают волнообразные колебания. Промышленные платформы: Для измерения устойчивости или наклона платформы. Мониторинг вибрации: Движущиеся машины создают вибрации, и эти вибрации могут быть вредными для машин, если их оставить без присмотра и усилить. Акселерометры полезны для контроля вибраций и все чаще используются на промышленных предприятиях, в турбинах и т. Д.

Выберите правильный акселерометр

Акселерометр премиум-класса
Эти акселерометры изготовлены из отборных кристаллов премиум-класса и используют малошумящие схемы для создания первоклассного малошумящего акселерометра.Их корпус из нержавеющей стали 316L герметично защищен от воздействия окружающей среды, поэтому они могут выдерживать суровые промышленные условия. У них также есть варианты искробезопасности FM и CSA. ACC793 – это стандартная конфигурация верхнего кабеля, а ACC797 – низкопрофильная конфигурация бокового кабеля.

Учить больше

Акселерометр промышленного класса
Акселерометры промышленного класса – это рабочие лошадки в промышленности. Они используются на всем, от станков до малярных шейкеров.OMEGA предлагает на выбор четыре модели. ACC101 (показан) – это высококачественный недорогой акселерометр общего назначения. ACC 102A герметичен для работы в суровых условиях, имеет фиксированный кабель и весит всего 50 граммов. ACC786A, верхний кабель, и ACC787A, боковой кабель, герметично закрыты, а съемные кабели закрыты от непогоды.

Учить больше

Акселерометр с высокой вибрацией
Акселерометры, используемые для контроля высоких уровней вибрации, имеют более низкий выходной сигнал (10 мВ / г) и меньшую массу, чем промышленные акселерометры.ACC103 весит 15 г и может контролировать уровни вибрации до 500 г. Это конструкция с креплением на шпильках, предназначенная для использования на вибростолах, вибрационных лабораториях и тяжелых промышленных станках. ACC104 весит всего 1,5 грамма и предназначен для крепления на клей. Обе модели имеют частотный диапазон от 3 до 10 кГц и динамический диапазон +/- 500 g.

Учить больше

Часто задаваемые вопросы

Установка акселерометра
Датчик должен быть установлен непосредственно на поверхности машины для правильного измерения вибрации. Этого можно добиться с помощью нескольких типов креплений:

– Плоское магнитное крепление
– 2-полюсное магнитное крепление
– Клеи (эпоксидные / цианоакрилатные)
– Монтажная шпилька
– Изолирующая шпилька

Магниты обычно временные.
Магнитные опоры используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам, обычно используемым в станках, конструкциях и двигателях. Они позволяют легко перемещать датчик с места на место для получения показаний в нескольких местах.Двухполюсные магнитные крепления используются для крепления акселерометра к изогнутой ферромагнитной поверхности.

Клеи и шпильки с резьбой считаются постоянными креплениями.
Клеи, такие как эпоксидная смола или цианоакрилат, доказали свою эффективность в большинстве случаев. Сохраняйте пленку как можно более тонкой, чтобы избежать нежелательного гашения вибраций из-за гибкости пленки. Чтобы снять закрепленный на клее акселерометр, используйте гаечный ключ на плоских поверхностях корпуса и поверните его, чтобы разорвать клеевое соединение. НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ МОЛОТОК. Удар по акселерометру приведет к его повреждению.

Крепежные шпильки являются предпочтительным методом монтажа.
Они требуют просверливания конструкции и нарезания резьбы, но обеспечивают прочное и надежное крепление. Обязательно соблюдайте указанные настройки крутящего момента, чтобы не повредить датчик или не оборвать резьбу.

Датчик вибрации Vs. Акселерометр

Устройство, которое вы видите как датчик вибрации, представляет собой не что иное, как акселерометр. Поскольку акселерометры очень хорошо измеряют изменение скорости, эту особенность лучше всего использовать для измерения вибраций, поскольку скорость всегда постоянно меняется.

Информация о продукте Техническое обучение Просмотреть эту страницу на другом языке или в другом регионе

Как работают акселерометры | Виды акселерометров

Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться.Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, многие портативные компьютеры и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii. Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Для чего используются акселерометры?

Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

Акселерометры – это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменения скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как гравитация действует на него, и силу, которую оно ощущает).Акселерометры бывают Также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей. Еще одно очень распространенное использование на транспорте – автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Фото: набор акселерометров, используемых для испытаний ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону. Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус, используя крошечные микросхемы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры.Знаете ли вы, например, что хай-тек стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение – так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение – это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знают, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться – мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту – например, пинаете футбольный мяч.Ускорение – это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

Сила = масса x ускорение

или …

F = m a

или …

а = Ф / м

Другими словами, ускорение – это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите – и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

Как работают акселерометры?

Это уравнение – теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не за счет расчета изменения скорости с течением времени, а за счет измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимающегося своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является автомобиль пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на своем сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель машины, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

Акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Существует много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (бывшие в употреблении измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


Изображение: основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а путем измерения силы. генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему. Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


Иллюстрация: Широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


Изображение: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах с эффектом Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

Как работают акселерометры | Виды акселерометров

Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто – взгляните на спидометр! Скорость удобное измерение, показывающее, как быстро вы можете получить из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощный двигатель это есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум скорости – это просто цифры на бумаге – они никому не нужны или почти никому не нужны.

Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться. Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, многие портативные компьютеры и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii.Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Для чего используются акселерометры?

Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

Акселерометры – это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменения скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как гравитация действует на него, и силу, которую оно ощущает). Акселерометры бывают Также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей.Еще одно очень распространенное использование на транспорте – автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Фото: набор акселерометров, используемых для испытаний ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону.Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус, используя крошечные микросхемы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры. Знаете ли вы, например, что хай-тек стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение – так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение – это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знают, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться – мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту – например, пинаете футбольный мяч.Ускорение – это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

Сила = масса x ускорение

или …

F = m a

или …

а = Ф / м

Другими словами, ускорение – это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите – и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

Как работают акселерометры?

Это уравнение – теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не за счет расчета изменения скорости с течением времени, а за счет измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимающегося своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является автомобиль пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на своем сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель машины, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

Акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Существует много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (бывшие в употреблении измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


Изображение: основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а путем измерения силы. генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему.Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


Иллюстрация: Широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


Изображение: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах с эффектом Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

Как работают акселерометры | Виды акселерометров

Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто – взгляните на спидометр! Скорость удобное измерение, показывающее, как быстро вы можете получить из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощный двигатель это есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум скорости – это просто цифры на бумаге – они никому не нужны или почти никому не нужны.

Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться. Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, многие портативные компьютеры и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii.Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Для чего используются акселерометры?

Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

Акселерометры – это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменения скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как гравитация действует на него, и силу, которую оно ощущает). Акселерометры бывают Также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей.Еще одно очень распространенное использование на транспорте – автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Фото: набор акселерометров, используемых для испытаний ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону.Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус, используя крошечные микросхемы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры. Знаете ли вы, например, что хай-тек стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение – так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение – это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знают, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться – мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту – например, пинаете футбольный мяч.Ускорение – это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

Сила = масса x ускорение

или …

F = m a

или …

а = Ф / м

Другими словами, ускорение – это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите – и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

Как работают акселерометры?

Это уравнение – теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не за счет расчета изменения скорости с течением времени, а за счет измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимающегося своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является автомобиль пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на своем сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель машины, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

Акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Существует много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (бывшие в употреблении измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


Изображение: основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а путем измерения силы. генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему.Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


Иллюстрация: Широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


Изображение: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах с эффектом Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

Как работают акселерометры | Виды акселерометров

Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто – взгляните на спидометр! Скорость удобное измерение, показывающее, как быстро вы можете получить из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощный двигатель это есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум скорости – это просто цифры на бумаге – они никому не нужны или почти никому не нужны.

Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться. Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, многие портативные компьютеры и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii.Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Для чего используются акселерометры?

Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

Акселерометры – это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменения скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как гравитация действует на него, и силу, которую оно ощущает). Акселерометры бывают Также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей.Еще одно очень распространенное использование на транспорте – автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Фото: набор акселерометров, используемых для испытаний ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону.Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус, используя крошечные микросхемы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры. Знаете ли вы, например, что хай-тек стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение – так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение – это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знают, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться – мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту – например, пинаете футбольный мяч.Ускорение – это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

Сила = масса x ускорение

или …

F = m a

или …

а = Ф / м

Другими словами, ускорение – это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите – и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

Как работают акселерометры?

Это уравнение – теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не за счет расчета изменения скорости с течением времени, а за счет измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимающегося своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является автомобиль пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на своем сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель машины, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

Акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Существует много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (бывшие в употреблении измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


Изображение: основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а путем измерения силы. генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему.Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


Иллюстрация: Широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


Изображение: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах с эффектом Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

Акселерометр

Введение в акселерометры

Акселерометр – это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции. Сила, вызванная вибрацией или изменением в движении (ускорение) заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который производит электрический заряд, который пропорционален сила, приложенная к нему.Поскольку заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то и заряд пропорционален к ускорению.

Подробнее об акселерометрах

Что такое пьезоэлектрический датчик силы?

Пьезоэлектрический датчик силы почти такой же жесткий, как кусок твердой стали сопоставимых размеров.Эта жесткость и прочность позволяет вставлять эти датчики непосредственно в машины как часть их конструкции.

Типы акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры (датчики вибрации) бывают двух типов. Первый тип – это акселерометр с выходом заряда с «высоким импедансом». В этом типе В акселерометре пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами.Выход заряда требует специальных приспособлений и приборов, которые чаще всего встречаются в исследовательских центрах. Этот тип акселерометра также используется в температурные приложения (> 120 ° C), в которых нельзя использовать модели с низким сопротивлением.

Второй тип акселерометра – это акселерометр с низким сопротивлением на выходе. Акселерометр с низким сопротивлением имеет акселерометр заряда в качестве передний конец, но имеет крошечную встроенную микросхему и транзистор на полевом транзисторе, который преобразует этот заряд в напряжение с низким импедансом, которое может легко взаимодействовать со стандартным оборудованием.Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности. Блок питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащая мощность для микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и устранение уровня смещения постоянного тока, они обычно вырабатывают выходной сигнал, основанный на нуле до +/- 5 В в зависимости от номинального значения акселерометра в мВ / g. Все акселерометры OMEGA (R) относятся к этому типу с низким импедансом.

Характеристики акселерометра


Динамический диапазон – это +/- максимальная амплитуда, которую акселерометр может измерить до искажения или ограничения выходного сигнала.Обычно указано в г.

Частотная характеристика определяется массой, пьезоэлектрическими свойствами кристалла и резонансной частотой корпуса. Это частотный диапазон, в котором выходной сигнал акселерометра находится в пределах указанного отклонения, обычно +/- 5%. g 1g – ускорение из-за силы тяжести Земли, которая составляет 32,2 фут / сек2, 386 дюймов / сек2 или 9,8 м / сек2.

Заземление – В акселерометрах есть два типа сигнального заземления.У акселерометров с заземлением корпуса есть сторона низкого сигнала. связаны с их делом. Поскольку корпус является частью пути прохождения сигнала и может быть прикреплен к проводящему материалу, при использовании необходимо соблюдать осторожность. этот тип акселерометра, чтобы избежать шума от земли. Электрические компоненты акселерометров с заземлением изолированы от корпус и гораздо менее восприимчивы к помехам, наводимым землей.

Верхний предел частоты – это частота, при которой выходной сигнал превышает указанное отклонение выходного сигнала.Обычно это регулируется механическим резонанс акселерометра.

Отсечка по низкой частоте – это частота, при которой выходной сигнал начинает падать ниже заявленной точности. Выход не «отсекается», а чувствительность быстро уменьшается с более низкими частотами.

Шум – Электронный шум генерируется схемой усиления. Шум может быть задан как широкополосный (задан по частотному спектру). или спектральные – обозначаются на определенных частотах.Уровни шума указаны в g, т. Е. 0,0025 g 2-25 000 Гц. Шум обычно уменьшается по мере увеличения частоты. увеличивается, поэтому шум на низких частотах является большей проблемой, чем на высоких частотах.

Как выбрать акселерометр?


  • Какую амплитуду вибрации следует контролировать?

  • Какой частотный диапазон нужно контролировать?

  • Каков температурный диапазон установки?

  • Каков размер и форма исследуемой пробы?

  • Есть ли электромагнитные поля?

  • Есть ли в этом районе высокий уровень электрического шума?

  • Заземлили ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?

  • Является ли окружающая среда агрессивной?

  • Требуются ли в данной области искробезопасные или взрывозащищенные приборы?

  • Область влажная или вымытая?

Частота резонанса – это частота, на которой датчик резонирует или звонит.Частотные измерения должны быть намного ниже резонансной частоты акселерометр.

Чувствительность – это выходное напряжение, создаваемое определенной силой, измеряемой в g. Акселерометры обычно делятся на две категории – производящие либо 10 мВ / г или 100 мВ / г. Частота выходного переменного напряжения будет соответствовать частоте колебаний. Выходной уровень будет пропорционален амплитуда колебаний.Акселерометры с низкой выходной мощностью используются для измерения высоких уровней вибрации, в то время как акселерометры с высокой выходной мощностью используются для измерения вибрации низкого уровня.

Температурная чувствительность – это выходное напряжение на градус измеренной температуры. Датчики имеют температурную компенсацию, чтобы сохранить изменение выход в заданных пределах при изменении температуры.

Диапазон температур ограничен электронной микросхемой, которая преобразует заряд в выходной сигнал с низким сопротивлением.Обычно диапазон составляет от -50 до 120 ° C.

Другие соображения при выборе акселерометра:

Масса акселерометров должна быть значительно меньше массы контролируемой системы. Динамический диапазон акселерометра должен быть шире ожидаемого диапазона амплитуд колебаний образца. Частотный диапазон акселерометра должен соответствовать ожидаемому частотному диапазону.Чувствительность акселерометра должна давать электрическую выход совместим с существующим оборудованием. Используйте акселерометр с низкой чувствительностью для измерения вибраций с высокой амплитудой и, наоборот, используйте высокочувствительный акселерометр для измерения колебаний малой амплитуды.

Выберите правильный акселерометр

3-осевой USB-регистратор данных ускорения
Портативный регистратор данных ускорения идеально подходит для оценки состояния и диагностики проблем производительности вращающегося оборудования, чтобы определить, работает ли двигатель эффективно, и даже указать, может ли он выйти из строя в будущем. Акселерометр промышленного класса
Акселерометры промышленного уровня – это рабочие лошадки в промышленности. Они используются на всем, от станков до малярных шейкеров.OMEGA предлагает на выбор четыре модели. ACC101 (показан) – это высококачественный недорогой акселерометр общего назначения. ACC 102A герметичен для работы в суровых условиях, имеет фиксированный кабель и весит всего 50 граммов. ACC786A, верхний кабель и ACC787A, боковой кабель, герметичен, а съемные кабели защищены от непогоды. Трехосный акселерометр
Трехосные акселерометры измеряют вибрацию по трем осям X, Y и Z.У них есть три кристалла, расположенные так, чтобы каждый из них реагирует на вибрацию по разным осям. На выходе есть три сигнала, каждый из которых представляет вибрацию для одна из трех осей. ACC301 имеет легкую титановую конструкцию и обеспечивает выходную мощность 10 мВ / г с динамическим диапазоном. +/- 500 g в диапазоне от 3 до 10 кГц.

Часто задаваемые вопросы

Как установить акселерометр

Датчик должен быть установлен непосредственно на поверхности машины для правильного измерения вибрации.Этого можно добиться с помощью нескольких типов креплений:

– Плоское магнитное крепление
– 2-полюсное магнитное крепление
– Клеи (эпоксидные / цианоакрилатные)
– Монтажная шпилька
– Изолирующая шпилька

Магнитные опоры обычно являются временными.
Магнитные опоры используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам, обычно используемым в станках, конструкциях и двигателях.Они позволяют легко перемещать датчик с места на место для получения показаний в нескольких местах. Двухполюсные магнитные крепления используются для крепления акселерометр на изогнутой ферромагнитной поверхности.

Клеи и шпильки с резьбой считаются постоянными креплениями.
Доказано, что клеи, такие как эпоксидная смола или цианоакрилат, обеспечивают удовлетворительное соединение для большинства применений. Пленка должна быть такой же тонкой, как можно избежать нежелательного гашения вибраций за счет гибкости пленки.Чтобы удалить клейкую накладку акселерометра, используйте гаечный ключ на плоских поверхностях гаечного ключа на корпусе и поверните, чтобы разорвать клеевое соединение. НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ МОЛОТОК. Поразив акселерометр повредит его.

Крепежные шпильки являются предпочтительным методом монтажа.
Они требуют просверливания конструкции и нарезания резьбы, но обеспечивают прочное и надежное крепление. Обязательно соблюдайте указанный крутящий момент. настройки, чтобы не повредить датчик или не оборвать резьбу.

Акселерометр | Сопутствующие товары

↓ Посмотреть эту страницу на другом языке или регионе ↓

Основы акселерометра

– learn.sparkfun.com

Что такое акселерометр?

Акселерометры – это устройства, которые измеряют ускорение, то есть скорость изменения скорости объекта.Они измеряются в метрах на секунду в квадрате (м / с 2 ) или в перегрузках (g). Единичная сила G для нас здесь, на планете Земля, эквивалентна 9,8 м / с 2 , но она немного меняется с высотой (и будет другим значением на разных планетах из-за изменений гравитационного притяжения). Акселерометры полезны для измерения вибрации в системах или для ориентации.

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы с какой-либо из приведенных ниже тем, вы можете прочитать их, прежде чем переходить к акселерометрам.

Логические уровни

Узнайте разницу между устройствами 3,3 В и 5 В и логическими уровнями.

I2C

Введение в I2C, один из основных встраиваемых протоколов связи, используемых сегодня.


Как работает акселерометр

Акселерометры

– это электромеханические устройства, которые воспринимают статические или динамические силы ускорения.Статические силы включают гравитацию, а динамические силы могут включать колебания и движение.

Оси измерения трехосного акселерометра

Акселерометры

могут измерять ускорение по одной, двум или трем осям. 3-осевые агрегаты становятся все более распространенными, поскольку стоимость их разработки снижается.

Обычно акселерометры содержат внутри емкостные пластины. Некоторые из них фиксированы, а другие прикреплены к крохотным пружинам, которые перемещаются внутри, когда на датчик действуют силы ускорения.Когда эти пластины перемещаются относительно друг друга, емкость между ними изменяется. По этим изменениям емкости можно определить ускорение.

Другие акселерометры могут быть ориентированы на пьезоэлектрические материалы. Эти крошечные кристаллические структуры выделяют электрический заряд при механическом воздействии (например, при ускорении).

Пример внутренней части пьезоэлектрического акселерометра


Как подключить к акселерометру

Для большинства акселерометров основными соединениями, необходимыми для работы, являются питание и линии связи.Как всегда, прочтите техническое описание, чтобы убедиться в правильности подключения.

Интерфейс связи

Акселерометры

обмениваются данными через аналоговый, цифровой интерфейс или интерфейс с широтно-импульсной модуляцией.

  • Аналоговый – акселерометры с аналоговым интерфейсом показывают ускорение при различных уровнях напряжения. Эти значения обычно колеблются между уровнем заземления и уровнем напряжения питания. Затем для считывания этого значения можно использовать АЦП на микроконтроллере.Как правило, они дешевле цифровых акселерометров.

  • Цифровой – Акселерометры с цифровым интерфейсом могут обмениваться данными через протоколы связи SPI или I 2 C. Они, как правило, обладают большей функциональностью и менее чувствительны к шуму, чем аналоговые акселерометры.

  • Широтно-импульсная модуляция (PWM) – Акселерометры, которые выводят данные с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM), выдают прямоугольные волны с известным периодом, но рабочий цикл, который изменяется с изменениями ускорения.

Мощность

Акселерометры обычно маломощные. Требуемый ток обычно находится в диапазоне микро (µ) или миллиампер при напряжении питания 5 В или меньше. Потребляемый ток может варьироваться в зависимости от настроек (например, режим энергосбережения по сравнению со стандартным рабочим режимом). Эти различные режимы могут сделать акселерометры подходящими для приложений с батарейным питанием.

Убедитесь, что согласованы правильные логические уровни, особенно с цифровыми интерфейсами.


Как выбрать акселерометр

При выборе акселерометра важно учитывать несколько функций, включая требования к питанию и интерфейсы связи, как обсуждалось ранее. Дополнительные возможности для рассмотрения приведены ниже.

Диапазон

Большинство акселерометров имеют выбираемый диапазон измеряемых сил. Эти диапазоны могут варьироваться от ± 1 г до ± 250 г. Как правило, чем меньше диапазон, тем более чувствительными будут показания акселерометра.Например, для измерения небольших вибраций на столе использование акселерометра с малым диапазоном дает более подробные данные, чем использование диапазона 250g (который больше подходит для ракет).

Трехосевой акселерометр ADXL362 может измерять значения ± 2g, ± 4g и ± 8g.

Дополнительные функции

Некоторые акселерометры включают такие функции, как обнаружение постукивания (полезно для приложений с низким энергопотреблением), обнаружение свободного падения (используется для активной защиты жесткого диска), температурная компенсация (для повышения точности в ситуациях точного расчета) и определение диапазона 0 g, которое другие особенности, которые следует учитывать при покупке акселерометра.Потребность в этих типах функций акселерометра будет определяться приложением, в которое встроен акселерометр.

Также доступны IMU (инерциальные измерительные блоки), которые могут включать в себя акселерометры, гироскопы и даже, иногда, магнитометры в одном корпусе или плате ИС. Некоторые примеры этого включают MPU6050 и MPU9150. Они обычно используются в приложениях для отслеживания движения и системах наведения БПЛА, где важны местоположение и ориентация объекта.


Покупка акселерометра

Теперь, когда вы выучили буквы x, y и z, взгляните на рекомендуемые нами акселерометры.

Наши рекомендации:

Для более детального изучения выбора акселерометра, ознакомьтесь с нашим руководством по покупке , чтобы найти то, что подходит для вашего проекта.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь у вас должны быть все основные инструменты и навыки, необходимые для реализации акселерометра в вашем собственном проекте.

Чтобы узнать больше об акселерометрах, перейдите по следующим ссылкам:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.