Каким прибором измеряется ускорение?

Акселерометр. Виды и типы. Работа и применение. Особенности

Акселерометр – это измерительный прибор позволяющий определить проекцию кажущегося ускорения. В простейшем исполнении он представляет собой грузик, закрепленный на упругом подвесе. При его отклонении от первоначального положения на упругом подвесе можно определить направление изменения положения, а также величину ускорения.

Виды акселерометров

Существует три разновидности акселерометров. Они бывают одноосные, двуосные и трехосные. Наиболее часто используемыми являются трехкомпонентные устройства. Они имеют возможность измерять проекцию кажущегося ускорения в 3-х плоскостях.

Данное оборудование бывает:
  • Механическим.
  • Электронным.
  • Пьезоэлектрическим.
  • Термальным.

Механический акселерометр является самой простой и полностью соответствует классической конструкции, которая была придумана изначально. У нее подвешенный груз закрепляется на эластичном подвесе. При изменении положения корпуса прибора под воздействием инерции подвешенное тело компенсирует перекос, тем самым воздействия на пружину на которой оно крепится. В результате специальный механизм определяет подобные колебания и переводит их в показатель линейного ускорения.

Электронные предусматривают совмещение механических частей прибора с датчиками. Они позволяют осуществить более точное и быстрое измерение параметров перемещения положения закрепленной массы. Подобные устройства в разы более компактные, и внешне могут представлять собой миниатюрный чип для микросхемы, габариты которого не превышают размер ногтя на мизинце.

Пьезоэлектрические имеют внутри твердый стержень, который постоянно находится под давлением и воздействует на пьезокристалл. В результате вибрации осуществляется выработка электрического тока. Измеряя параметры напряжения проводится определение фактических показателей ускорения.

Термальные имеют в своей конструкции миниатюрный пузырек воздуха. При ускорении он отклоняется от своего положения, что фиксируется чувствительными датчиками.

Сфера применения устройства

Развитие технологий привело к внедрению акселерометра в различные виды оборудования, позволяя расширить их технические возможности. Если сразу после изобретения подобные датчики применялись только на паровозах с целью определения скорости их движения, то сейчас такие приборы можно встретить повсеместно.

Акселерометр в телефонах и планшетах

Долгое время акселерометры относились к оборудованию, которое не интересно окружающим. С развитием электронных технологий подобная тенденция пошла на убыль, сделав этот прибор известным среди широких масс. В первую очередь этому поспособствовало появление современных смартфонов, в корпусе которых имеется такое устройство.

Именно благодаря акселерометрам при изменении положения экрана смартфон переводит ориентацию изображения с книжной на альбомную. Впервые данный прибор был применен в мобильном телефоне компанией Nokia. Устройство было установлено в телефон Nokia 5500. Помимо переключения ориентации экрана, акселерометры обеспечивают возможность управления в играх, в частности гонках, где для управления транспортом нужно делать уклоны смартфоном.

При изучении инструкции телефонов, планшетов и прочей мобильной компьютерной техники можно увидеть информацию о наличие так называемого G-датчика. Он и есть тот самый акселерометр.

Именно акселерометр позволяет с помощью специального приложения использовать смартфоном в качестве строительного уровня.

Установка в фитнес-браслетах

Также причиной популяризации акселерометра стала мода на фитнес браслеты и умные часы. Данное устройство предназначено в первую очередь для обеспечения реализации функции шагомера. Осуществляя шаги, тело человека придает ускорение инертной массе внутри чувствительного чипа.

Программное обеспечение реагирует на особый тип колебаний, который может возникать на инертной массе только при выполнении шага. В остальных случаях, к примеру, при небольших покачиваниях рукой колебания не засчитываются. Все же обмануть шагомер возможно сделав такое телодвижение, чтобы прибор засчитал его как шаг. Но фактическое количество ложных шагов, которые считаются на протяжении дня, не слишком высокое, что создает минимальную погрешность измерений. Акселерометры у современных даже дешевых шагомеров не реагируют на мелкую встряску, к примеру, если прибор лежит в сумке, а не закреплен на руке.

Применение в видеорегистраторах

Акселерометры можно встретить и в конструкции многих видеорегистраторов. Казалось бы, такое оборудование явно не нуждается в подобном датчике. На самом деле производители регистраторов нашли весьма интересное применение для акселерометра. Он связан с программным обеспечением отвечающим за проведение съемки и сохранение видео данных. Датчик ускорения настроен таким образом, что при появлении неестественных инертных нагрузок, к примеру, при резком торможении или маневре на скорости, подается соответствующий сигнал. В результате видеорегистратор записывает видео в особенный файл. Благодаря этому результаты съемки сохранятся, и прибор не сможет автоматически их удалить, чтобы очистить память для дальнейшей регистрации.

Использование в сфере автомобилестроения

Акселерометр является обязательной частью современного автомобиля, в котором уделяется особое внимание безопасности. В этом случае применяется полноразмерный пьезоэлектрический прибор. Благодаря акселерометру обеспечивается нормальная работа пневмоподвески, круиз-контроля и пр.

Установка для сохранения данных на жестком диске

Винчестеры ноутбуков, нетбуков, а также съемные жесткие диски зачастую имеют в своей конструкции акселерометр. Задача такого датчика заключается, в случае падения компьютера, подать предупредительный сигнал на жесткий диск. Тот является командой для остановки головок винчестера. Это позволяет предотвратить серьезные повреждения диска и сохранить записанные на нем данные.

Применение в сфере строительства

Также акселерометры применяются в качестве оборудования, которое осуществляет измерение колебаний зданий. Устройство могут использовать как отдельное диагностическое оборудование и как постоянный датчик. Также прибор данной конструкции может применяться для мониторинга систем целостности трубопроводов. С его помощью оценивают и эффективность работы мостов.

Применение в сейсмостанциях

С помощью акселерометра осуществляется фиксация землетрясений. Такие датчики входят в устройство современных сейсмографов. Они отличаются повышенной точностью, что дает возможность определить силу колебаний по шкале Рихтера. Такие приборы отличаются от классического строения акселерометра. Закрепленное тело остается неподвижным, в то время как в результате колебаний двигается только корпус самого устройства.

На сейсмостанциях применяются одноосные акселерометры. Одни применяются только для фиксации горизонтальных колебаний, а другие вертикальных.

Использование в летательных аппаратах

Также акселерометр можно встретить в конструкции беспилотных устройств. Благодаря работе датчика осуществляется контроль плоскости движения аппарата. Это существенно облегчает дистанционное управление, особенно если прибор находится вне предела зоны видимости. Наличие акселерометра позволяет избежать неправильного направления движения аппарата, а также дает ему возможность автоматически вернуться к точке запуска, если управление было потеряно или была нажата соответствующая кнопка.

Поведение в невесомости

Для обеспечения работы акселерометра важно наличие притяжения. Сначала теоретически, а потом и экспериментально на космических станциях было подтверждено, что акселерометры не способны действовать в условиях невесомости. В космосе в любом положении, а также при встряске показания устройства всегда равны нулю. В связи с этим традиционные датчики наклона на основе акселерометра, которые применяются повсеместно, на космических аппаратах совершенно бесполезны.

Причины погрешности прибора

При работе акселерометра могут возникать отклонения показаний его измерения. На это в первую очередь может влиять влажность и температура окружающей среды. Это меняет свойства материалов, которые применяются при изготовлении приборов. Также помехи создает внешнее магнитное поле. Для минимизации его влияния конструкции датчика могут иметь различные технические дополнения. Также погрешность измерений получается в результате вибрации объекта измерения.

Технические особенности устройств

Акселерометры могут отличаться между собой не только по направлению их использования, но и техническими особенностями. При выборе данного устройства, к примеру, при ремонте различного оборудования, которое им уже комплектовалось, стоит отдавать предпочтение аналогичному датчику. Также возможен выбор устройств с более высоким динамическим диапазоном. Этот показатель отражает максимальную амплитуду колебаний, на которую способен отреагировать прибор. Также важным показателем является чувствительность прибора. Различные изделия отличаются между собой по диапазону частоты, которая измеряется в Гц.

Акселерометр: что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне

Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.

Акселерометр: что это и зачем нужен?

Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».

Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром. По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые). Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление ускорения как векторную величину во всех трех осях.

Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.

В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.

Где применяется акселерометр?

Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:

  • Навигационные устройства летательных аппаратов. Без приборов на основе гироскопов и акселерометров не может обойтись ни один самолет, вертолет и даже квадрокоптер. Так, например, для работы квадрокоптера необходимо минимум три гироскопа.
  • Автомобили. В автомобилях акселерометр интегрируется в системы безопасности и стабилизации. Прибор определяет экстренное торможение или дорожно-транспортное происшествие и запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.
  • Промышленность. Датчики активно используются в различных станках, агрегатах и производственных линиях в системах защиты для отключения питания в случае поломок или при достижении критических значений.
  • Электроника. В компьютерах и ноутбуках акселерометр применяется для защиты жестких дисков от ударов и падений. В случае обнаружения падения прибор отдает команду считывающим головкам принять безопасное положение для избегания повреждения диска и потери данных.
  • В смартфонах и планшетах акселерометр отвечает за смену ориентации экрана при повороте корпуса, а также за управление игровым процессом при наклонах гаджета. В фитнес-браслетах и часах акселерометр применяется для подсчета шагов, отслеживания сна и активации экрана поднятием запястья.
  • Бытовая техника. Да, акселерометрами могут оснащаться даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах акселерометр, обнаружив его падение, отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.

Как работает акселерометр?

Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.

Механический акселерометр

Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика. Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.

Читайте также  Диодная лампа мигает при включенном свете

Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.

Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.

У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания. Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов. Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.

Внутренняя работа акселерометра

Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.

Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:

Чем отличается акселерометр от гироскопа?

Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.

Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп. Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.

Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.

Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах

В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.

Акселерометр в телефоне

Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.

Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.

Как откалибровать акселерометр?

В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги. Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox. Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.

Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.

Сергей Васильев

Интересуюсь всем, что касается умных часов, фитнес-браслетов и другой носимой электроники. С удовольствием поделюсь последними событиями в мире гаджетов, постараюсь помочь подобрать оптимальную модель и разобраться с основными настройками.

Что такое акселерометр? Определение — Типы — Применение

Большинство современных устройств используют датчики для контроля и управления различными физическими величинами, такими как давление, температура, влажность, интенсивность света, направление и т.д. Один из таких датчиков, используемый для измерения ускорения устройств, называется датчиками акселерометра.

Когда-то давно вы бы нашли такие датчики только в современных машинах, таких как космические ракеты или реактивные самолеты. Теперь они есть практически в каждом смартфоне, ноутбуке, автомобиле и игровой консоли. Давайте копнем глубже и выясним, что это такое, как они работают, и для чего они используются?

Что такое акселерометр?

Определение: Акселерометр — это электромеханический инструмент, который измеряет ускорение (скорость изменения скорости). Ускорение может быть статическим, как ускорение, вызванное гравитацией, или может быть динамическим, как движение и вибрации, вызванные внешним фактором.

Измеряя величину гравитационного ускорения, инструмент может вычислить угол, под которым он наклонен относительно Земли. Например, акселерометр, установленный на поверхности Земли, будет измерять ускорение 9,81 м / с2 в прямом направлении вверх.

Измеряя величину динамического ускорения, можно определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство. Например, трехосевой акселерометр может определять величину и направление (во всех трех осях) ускорения как векторную величину.

Акселерометры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Они в основном используются в электронных устройствах для определения ориентации, ускорения координат, ударов и вибрации.

Акселерометры, встроенные в смартфоны, например, выясняют, когда переключать макет экрана с ландшафтного на портретный. Данные, предоставляемые этими датчиками, могут помочь определить, идет ли устройство вверх или падает вниз.

Высокочувствительные акселерометры интегрированы в инерциальные навигационные системы ракет и реактивных двигателей. Беспилотные летательные аппараты также используют такие устройства для стабилизации полета.

Как работает акселерометр?

Механический акселерометр состоит из пружины, прикрепленной массой. Эта пружина обычно подвешивается внутри наружного корпуса. Когда все устройство ускоряется, корпус сразу же движется в том же направлении. Масса, однако, остается в своем положении (на короткое время), растягивая пружину с силой, соответствующей ускорению.

Принцип работы механического акселерометра

Измеряя длину пружины растяжения, мы можем определить ускорение. Это может быть сделано различными способами. Сейсмометр, например, использует тот же принцип для измерения землетрясений.

Когда происходит землетрясение, он трясет корпус сейсмометра, но масса движется дольше. К массе прикрепляется ручка, чтобы проследить ее движение на бумажном графике.

Современные акселерометры генерируют электрические или магнитные сигналы вместо того, чтобы использовать след от ручки на бумаге.

Самые распространенные типы акселерометров

Большинство коммерческих устройств оснащены емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами для преобразования механического движения в электрический сигнал.

1. Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения ускорения, вибрации или механического удара. Эти материалы накапливают электрический заряд (пьезоэлектричество) в ответ на приложенное механическое напряжение.

Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра

К массе прикрепляется пьезоэлектрический материал, например, цирконат-титанат свинца. При движении акселерометра масса оказывает механическое давление на этот материал. В результате этого материал вырабатывает крошечное электрическое напряжение, которое можно расшифровать, чтобы вычислить соответствующее ускорение.

2. Пьезорезистивные акселерометры работают по аналогичному принципу. Они используют изменение сопротивления пьезорезистивных материалов для преобразования механического напряжения в выходное напряжение постоянного тока. Эти типы акселерометров подходят для измерений удара, где уровень g и диапазон частот значительно высоки.

Endevco 727 | легкий пьезорезистивный акселерометр, идеально подходящий для измерения удара при испытаниях на падение

Пьезоэлектрические компоненты, напротив, не имеют себе равных по высокотемпературному диапазону и малому весу в упаковке.

3. Емкостные акселерометры основаны на изменении электрической емкости в ответ на ускорение. Они содержат два компонента: первичную (стационарную) пластину, прикрепленную к корпусу, и вторичную пластину, соединенную с массой, которая свободно перемещается внутри корпуса.

Емкость изменяется с расстоянием между двумя металлическими пластинами, и, измеряя емкость, можно определить приложенное ускорение. Эти типы акселерометров могут измерять постоянное, а также медленное переходное и периодическое ускорение.

Трехосный емкостный акселерометр

Современные акселерометры бывают всех трех форм. Они часто представляют собой микроэлектромеханические системы (MEMS), содержащие несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Акселерометры, встроенные в планшеты и смартфоны, обычно имеют площадь менее 100 миллиметров.

Микромеханический акселерометр чувствителен только к одному направлению в плоскости. Двухосевой акселерометр построен путем интеграции двух устройств перпендикулярно, а трехосный акселерометр может быть сделан путем добавления другого устройства вне плоскости. Интегрированный модуль может быть гораздо более точным, чем три отдельных устройства, объединенные после упаковки.

Для достижения сверхвысокой чувствительности можно использовать квантовое туннелирование. Однако этот процесс является чрезвычайно сложным и дорогостоящим.

С помощью существующих технологий мы можем измерять ускорения до тысяч g. Инженерам и производителям приходится идти на компромисс между максимальным измеряемым ускорением и чувствительностью устройства.

Применение

Акселерометры используются в различных областях, от инженерной и бытовой электроники до биологии и медицинских технологий. Ниже приведены наиболее часто используемые датчики акселерометров.

Навигация

Инерциальная навигационная система (также называемая инерциальной эталонной платформой) использует компьютер и акселерометры для непрерывного измерения местоположения, ориентации и скорости движущегося объекта без каких-либо внешних ориентиров.

Инженерия

Акселерометры широко используются для измерения вибрации на машинах, автомобильных двигателях и зданиях. В автомобильном секторе акселерометры с высоким значением g используются для обнаружения дорожно-транспортных происшествий и установки подушек безопасности в нужное время.

Они также используются для контроля работоспособности оборудования и регистрации вибрации вращающихся инструментов, таких как компрессоры, турбины, которые, если их не обслуживать, могут привести к дорогостоящему ремонту. Некоторые акселерометры специально настроены (встроены в гравиметры) для измерения гравитационных сил.

В космических аппаратах акселерометры используются для обнаружения апсиса — точки на орбите спутника, в которой он наиболее удален от Земли.

Бытовая электроника

Они используются практически во всех ноутбуках, мобильных телефонах и камерах для определения положения и ориентации устройства и отображения контента в вертикальном положении на экранах. Игровые приставки, такие как пульт дистанционного управления PlayStation DualShock , используют трехосевой акселерометр, чтобы сделать рулевое управление более реалистичным в гоночных играх.

Читайте также  Переделка электронного трансформатора для светодиодов

Многие производители ноутбуков используют акселерометры для защиты жестких дисков от повреждений. Если датчик обнаруживает внезапное падение, головки жесткого диска припаркованы, чтобы избежать повреждения диска и потери данных.

Биология и медицинское применение

В биологических науках все чаще используются акселерометры. Данные, получаемые с помощью высокочувствительных трехосных акселерометров, позволяют ученым различать поведенческие модели животных, когда они находятся вне поля зрения.

Многие автоматические внешние дефибрилляторы содержат акселерометр для определения глубины сдавления грудной клетки СЛР.

Несколько компаний производят часы для спортсменов, которые состоят из акселерометров для измерения скорости и пройденных дистанций бегунов. Современные будильники фазы сна также интегрированы с акселерометрическими датчиками, так что они могут обнаружить движение спящего и разбудить человека в цикле не-быстрого сна.

Методы и средства измерения ускорений

Ускорения измеряются в метpax на секунду в квадрате (м/с 2 ). В качестве единицы измерения ускорения часто применяют величину, связанную с ускорением земного притяжения — g. Например, ускорение, равное 0,1g; l0g и т.д. Ускорения могут быть линейными и угловыми. Средства измерения ускорений называются акселерометрами.

Инерциальный метод

Для измерения линейных ускорений применяются инерциальный метод, метод дифференцирования скорости и метод двухкратного дифференцирования расстояния до неподвижной базы.

Рис. 8.33. Средства измерения ускорений: а — схема акселерометра (1 — инерционная масса; 2 — пружина; 3 — электромагнит; 4 — корпус прибора; 5- демпфер; 6 — преобразователь; 7- ось; У- усилитель); б — схема маятникового акселерометра (1 — подвеска; 2 — жидкость; 3 — корпус; 4 — чувствительный элемент; 5 — преобразователь; У- усилитель); в — схема струнного акселерометра (7 и 5- струнный преобразователь; 2 и 4- струна; 3 — упругий подвес; 6- генератор; 7 — механизм натяжения струн; 8- регулирующее устройство); г — схема акселерометра с волоконно-оптическим преобразователем (1 — источник света; 2 — акселерометр; 3 и 8 — линза; 4 — поляризатор; 5 — фотоупрутий материал; 6 — четвертьволновая пластина; 7 — анализатор; 9 — волоконный светопровод; 10 — приемник излучения — фотодиод)

Инерциальный метод основан на измерении силы, развиваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Принцип действия средств измерений, реализующий инерциальный метод, состоит в следующем (рис. 8.33, а). Инерционная масса 7, связанная с корпусом прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 5, может перемещаться в направлении оси 7, называемой осью чувствительности. Перемещение инерционной массы, пропорциональное измеряемому ускорению, преобразуется посредством резистивных, индуктивных или емкостных преобразователей 6 в электрический сигнал, который после усиления в усилителе поступает на электромагнит 3. Последний создает усилие F, уравновешивающее инерционную силу тах, т.е.

Методы дифференцирования

Методы одно- или двухкратного дифференцирования сводятся соответственно к дифференцированию измеренных скорости или расстояния до неподвижной базы.

Требования к точности измерения ускорений определяются областью применения. Так, в инерциальных системах погрешности не должны превышать ±0,001 %. При применении акселерометров в системах управления погрешности могут составлять ±(1 . 2) %. Погрешности средств измерения ускорений в машинах могут достигать ±4 %.

Акселерометры

Рассмотрим некоторые возможные схемы акселерометров (рис. 8.33, б, в, г).

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс, преобразователи сигналов, моментные (силовые) устройства, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для уменьшения потерь в осях подвеса, обеспечения линейной зависимости между отклонениями массы и измеряемым ускорением подвес помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента, либо устанавливают его на воздушной подушке, на струнах. Применяют также электромагнитные и криогенные подвесы.

В качестве преобразователей сигналов применяются емкостные, индуктивные, фотоэлектрические, струнные и др. Основные требования к ним: большая разрешающая способность, линейная зависимость выхода от входа, отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент.

Моментными (силовыми) устройствами для ввода сигналов обратной связи являются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагниты.

Маятниковый аеселерометр

В маятниковых акселерометрах (см. рис. 8.33, б) чувствительный элемент 4 находится в жидкости 2, заключенной в корпусе 3. Температура жидкости поддерживается с точностью до 0,01 «С, что позволяет устранить ее конвективные движения. Сигнал с чувствительного элемента снимается преобразователем 5 и подается на усилитель У. С выхода усилителя сигнал поступает на моментный двигатель, развивающий момент, зависящий от ускорения.

Струнный акселерометр

В акселерометрах со струнными преобразователями 1 и 5 (см. рис. 8.33, в) смещение массы т меняет упругие свойства струн 2 и 4. натянутых в направлении оси чувствительности. Упругий подвес 3 исключает движение массы т в поперечном направлении. Сумма частот колебаний струн 2 и 4 (f1 +f2) поддерживается постоянной посредством регулирующего устройства 8, для чего она сравнивается с эталонной частотой f0, вырабатываемой генератором 6. Разность Δf = (f1 +f2)-fo используется для управления механизмом 7 натяжения струн. При поддержании значения (f1 +f2) постоянным получается линейная зависимость между измеряемым ускорением ах и разностью частот Δf.

Струнные акселерометры находят применение в инерциальных системах управления. При диапазоне измерения ускорений до 20 g погрешность не превышает ±0,004 %.

Акселерометр с преобразователем

Акселерометр с волоконно-оптическим измерительным преобразователем основан на эффекте фотоупругости. Некоторые материалы (эпоксидная смола, нитрат лития и др.) меняют свои оптические свойства при их деформировании. На этой основе создан целый ряд средств измерения, в которых сила преобразуется в деформацию. На рис. 8.33, г источник света 1 (например, полупроводниковый лазер), проходя через линзу 3 и поляризатор 4, поступает на стержень из фотоупругого материала 5, изменяющий свое напряженное состояние в зависимости от ускорения груза акселерометра 2. Преобразуя полученный сигнал с помощью четвертьволновой пластины 6, анализатора 7 и линзы 8, он поступает по волоконному светопроводу 9 на приемник излучения (фотодиод) 10. В результате определяется величина ускорения с достаточно высокой точностью. Так, при массе груза 25 г чувствительность рассмотренного акселерометра составляет 0,01g.

Что такое акселерометр

В устройстве любого мобильного телефона, планшета имеется прибор акселерометр. Его часто называют «датчиком ускорения» или G-сенсором.

Он устанавливает угол наклона гаджета, выявляет показатели ускорения и выполняет другие действия. Но перед использованием устройства все же стоит изучить, что такое акселерометр в смартфоне, зачем он требуется, и какие функции производит.

Что такое датчик ускорения

Понятие «Акселерометр» состоит из двух слов — из латинского «accelero» («ускоряю») и из греческого «metreo («измеряю»). Дословно можно перевести, как измерение ускорения.

Главное назначение датчика состоит в измерении кажущегося ускорения, или разницы в гравитационном и истинном ускорении, между физическим телом или объектом.

Акселерометр определяет угол наклона телефона относительно земной поверхности. Он сопоставляет три основные координаты: X, Y и Z или ширину, длину и высоту.

Применение специального программного обеспечения изменяет расположение картинки на дисплее мобильного устройства. Данные действия он производит в соответствии с координатами, которые передает датчик.

Умный прибор, который обладает небольшими размерами, может не только определять изменение положения смартфона в системе координат, но и производить дополнительные функции. Он может воспринимать внешние факторы, реагировать на встряхивания, толчки, повороты.

Сейчас датчик ускорения является обязательным элементом любого смартфона. Но несколько десятков лет назад, первые телефоны, в которых были предусмотрены данные элементы, были дорогие и воспринимались они, как настоящее чудо.

Принцип работы

G-сенсор является важным компонентом в смартфоне, который применяется для отображения качественной картинки на дисплее под правильным углом обзора. Но все же, чтобы понять что это, стоит изучить принцип работы и возможности акселерометра.

Как работает акселерометр? При отклонениях и вибрациях, энергия переходит в электрический сигнал, он будет пропорционален ускорению смартфона. Далее сигнал переходит на компоненты телефона, которые после будут выполнять необходимые действия — производить поворот экрана, измерять ускорение, определять угол наклона гаджета.

Часто акселерометр путают с гироскопом. Данные элементы похожи, но производят совершенно разные функции. Для установления позиции требуются оба датчика, но вот каждый из них выполняет это по-разному. Акселерометр проводит измерение собственного движения, а вот гироскоп определяет расположение объекта в пространстве.

Гироскоп и акселерометр не мешают друг другу, они могут функционировать вместе, но они не являются взаимозаменяемыми. Часто их применяют для высокотехнологичных электронных приборов.

Какие функции производит G-сенсор

Датчики ускорения используются для расширения возможностей и опций телефонов. Они делают их удобными, функциональными.

Так для чего нужен акселерометр? Он подходит для измерения расстояния движения устройства, для определения отклонений в пространстве. Но это еще не все функции прибора.

Датчик выполняет следующие действия

  • Производит автоматическую корректировку ориентации дисплея при поворотах гаджета;
  • Прибор требуется для наклонов, разных манипуляций во время игр;
  • Благодаря датчикам гаджет может реагировать на определенные движения. Приборы выполняют другие действия — меняют музыкальные треки, отключают будильник, отклоняют звонки;
  • Определяет или отображает любые изменения положения человека в пространстве. Все эти действия производятся навигационными программами;
  • Приборы следят за физической активностью. К примеру, они подсчитывают пройденную дистанцию, для этого используется шагомер.

Области применения

Датчик ускорения применяется в следующих сферах:

  • Включается в состав навигации в летательных аппаратах. Приборы устанавливаются также в вертолеты и квадрокоптеры;
  • Автомобили. В них емкостный акселерометр устанавливается для систем безопасности и стабилизации. Датчик выявляет ситуации, когда необходимо выполнить экстренное торможение, а также помогает избежать аварии. Прибор запускает работу электрической цепи, она передает толчок на подушки безопасности и они моментально срабатывают;
  • Промышленность. G-сенсор устанавливаются в устройство станков, агрегатов. Их интегрируют в системы защиты для своевременного выключения питания во время поломок;
  • Для электроники. Датчики защищают жесткие диски от механических воздействий. При падениях прибор подает информацию на считывающие головки, и они переходят в безопасное положение. Это защищает от поломок диск,а также предотвращает потерю данных;
  • Датчики устанавливаются в смартфоны и планшеты. Они производят важные функции, изменяют положение во время поворота корпуса и другие действия.

Как выглядит датчик в смартфонах

Стандартный датчик имеет небольшие размеры, он похож на компактный чип. Ниже имеется фото обычного акселерометра, который устанавливается в смартфоны.

Для механических приборов применяется массивный датчик, он имеет крепление из упругих подвесов. При необходимости на данные элементы может подаваться определенное давление для повышения точности работы акселерометра. В соответствии с проводимыми задачами всего может быть от 1 до 3 подвесов.

В электронном G-сенсоре имеется набор проводников. Они передвигаются под влиянием ускорения. Компоненты могут корректировать показатели напряженности в зоне, которая находится вокруг. По данным параметрам можно установить, в какую область переместились проводники, а также какое движение корпуса спровоцировало сдвиг. В комплексных датчиках, которые включают гироскоп, может быть до шести осей.

Читайте также  Какое сопротивление у светодиода в лампочке?

Трехосный акселерометр может с максимальной точностью установить расположение тела в пространстве, он улавливает различные изменения. Он постоянно проводит сбор и перенаправление сведений о давлении, которое подается на подвесы.

Любой вид датчика может выявить вариант положения корпуса в пространстве. А также прибор устанавливает показатели скорости, с которыми передвигался владелец гаджета по сотрясениям от его шагов.

Функции G-сенсора в других гаджетах

Датчики имеются в фитнес-браслете и смарт-часах, они являются важными компонентами устройств. Главные функции — подсчет количества шагов в течение дня. Акселерометр в фитнес-браслете и в часах контролирует любые передвижения днем и во время сна.

Программная обработка проводит распознавание, что вы делаете — бежите или идете.

Она определяет интенсивность и скорость, точное количество шагов. Модуль производит включение браслета при поднятии руки к лицу.

Как выполняется включение и выключение

Датчик или акселерометр используется в гаджетах для автоповоротов дисплея. Но эта опция не всегда включена в параметрах гаджета по умолчанию. В этой ситуации, в настройках телефона нужно подключить G-сенсор.

  • При помощи настроек. В них выбирается «Экран». После включается опция автоматических разворотов дисплея в момент, когда устройство меняет положение;
  • Через панель быстрого доступа в верхней части экрана телефона. Здесь пользователь может найти кнопку автоповорота экрана. После нажатия на нее запуститься работа акселератора.

Однако не всегда автоматическое переключение положения может быть удобным. Бывает, что постоянные перевороты дисплея доставляют множество проблем. Чтобы выключить функцию можно использовать вышеперечисленные способы.

Как проводится калибровка датчика

Калибровка акселерометра требуется для улучшения функционирования устройства. Для этого можно выполнить настройку. Она не займет много времени, для осуществления проводится минимум действий.

Чтобы откалибровать датчик в устройстве с ОС Андроид можно воспользоваться следующей инструкцией:

  • Из магазина (Play Market) нужно скачать бесплатное приложение;
  • Далее смартфон помещается на ровную поверхность;
  • Затем включается программа;
  • Пользователь должен перейти к пункту «Калибровка».

После процесс калибровки производится автоматически. Пользователь получит уведомление о том, что все успешно завершено, на экран выйдет соответствующая надпись.

Причины неполадки акселерометра и их устранение

Иногда датчик может плохо производить функции, или полностью перестает работать, даже после калибровки. Проблемы могут произойти из-за программного сбоя, а также из-за поломки микросхем. Метод устранения стоит подбирать в соответствии с причиной, которая спровоцировала неполадки.

Программный сбой

Чтобы понять, что привело к нарушению работы акселерометра, пользователь должен вспомнить, какие приложения он недавно устанавливал. Именно они вызывают конфликт в работе оборудования или программного обеспечения. Для начала следует удалить новые программы, а после проверить работу датчика.

Если данные меры не помогут, и не улучшат функционирование прибора, то придется провести сброс или форматирование. Но перед проведением операции требуется информацию, файлы с телефона скопировать на компьютер или перенести на облачное хранилище.

Сброс или форматирование проводится в следующей последовательности:

  • Для начала открывается меню параметров мобильного устройства;
  • После выбирается опция «Восстановление и сброс»;
  • Далее активируется «Сброс до заводских настроек»;
  • В конце все действия подтверждаются, и запускается форматирование.

Через определенный период все сведения сбрасываются. В телефоне не будут сохранены файлы и программы, которые были загружены пользователем.

Пользователь может воспользоваться другим вариантом восстановления ПО — обновление прошивки. Для этого смартфон требуется подключить к сети Wi-Fi. И после нужно воспользоваться следующей инструкцией:

  • В опциях нажимается форма «Сведения о телефоне»;
  • Затем выбирается опция «Обновление ПО»;
  • Далее необходимо проверить наличие новых версий;
  • После обнаружения выбирается подходящая версия и скачивается на гаджет;
  • Заканчивается процесс обновления.

Аппаратный сбой

Есть еще одна причина — аппаратный сбой. Чтобы восстановить нормальное функционирование, требуется обратиться в мастерскую, где специалисты проведут необходимые меры.

На начальном этапе проводится диагностика, она поможет установить причину и степень поломки, а также определит, какие ремонтные работы нужно будет провести. Обычно выполняется замена детали на новую. Если все будет сделано правильно, то работа устройства восстановится.

Видео по теме

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

  • Главная
  • Рубрикация
  • Указатель А — Я
  • Порталы
  • Произвольно
  • Журнал
  • Редакторам
    • Ссылки сюда
    • Связанные правки
    • Загрузить файл
    • Спецстраницы
    • Версия для печати
    • Постоянная ссылка
    • Сведения о странице
    • Цитировать страницу
    • Читать
    • Просмотр
    • История

Акселерометр

Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Он призван помочь программному обеспечению смартфона определить положение, а также расстояние перемещения мобильного устройства в пространстве.
Часто этот датчик путают с гироскопом. Однако, это разные датчики, хотя взаимодополняют друг друга, и даже могут выполнять одни и те же функции. Их отличие заключается в принципе работы, а также в эффективности выполнении конкретных задач. Могут использоваться совместно, для достижения наиболее точных результатов.

Содержание

  • 1 Принцип работы
  • 2 Применение
  • 3 Принцип работы в смартфонах
    • 3.1 Появления акселерометра в смартфонах
  • 4 Параметры
  • 5 Акселерометр в условиях невесомости
  • 6 Источники

Принцип работы

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.

Когда происходит встряска, наклон или поворот объекта, в который встроен акселерометр, инертная масса реагирует на силу инерции. С увеличением интенсивности и силы наклона, поворота или сотрясения увеличивается радиус деформации пружины. Затем грузик принимает свою прежнюю позицию, благодаря пружине. Специальный датчик фиксирует уровень смещения инертной массы от ее положения в состоянии «покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал, и передаются на обработку электроникой, и программным обеспечением. Благодаря полученным данным программа может «вычислить» изменения в физических изменениях расположения объекта.
Еще есть такое понятие, как ось чувствительности прибора. Если ось только одна, датчик сможет передать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Чтобы увеличить чувствительность датчика, и получить точные данные о силе и направлении наклона объекта, необходимо две, а еще лучше три оси. Объединив в один прибор сразу три оси, можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.
[Источник 1]

Акселерометр часто называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую строну повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра в телефоне: если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр не работает — перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. [Источник 2]

Применение

  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. 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.
  5. На телефонах и планшетах:
  • Автоматическая смена ориентации экрана при повороте девайса.
  • Управление игровым процессом при помощи наклонов.
  • Реагирование устройства на определенные жесты, и выполнение соответствующих действий (смена музыкального трека, отключение будильника или отклонение звонка). Примеры жестов: постукивание по корпусу или его встряхивание, переворот смартфона экраном вниз.
  • Определение и визуальная демонстрация изменений положения человека в пространстве через навигационные приложения (Google Карты и др.).
  • Возможность отслеживания физической активности. Классический пример – подсчет пройденной дистанции при помощи шагомера.

Принцип работы в смартфонах

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе. 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. 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. [Источник 3]

Появления акселерометра в смартфонах

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. [Источник 4]

Параметры

  • Масштабный коэффициент — коэффициент пропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом).
  • Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
  • Смещение нуля — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.
  • Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
  • Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения. [Источник 5]

Акселерометр в условиях невесомости

В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению. Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать (не изменяется положение изображения при повороте корпуса).