Акселерометр как работает: Как и для чего служит акселерометр? | Электронные компоненты. Дистрибьютор и магазин онлайн

Содержание

Принцип работы акселерометра

Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения. Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста. При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.

В других устройствах датчик применяют и для выполнения тех же задач, для чего нужен акселерометр на телефонах, и для других целей. Так, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности используется в качестве вибропреобразователя.

В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных. Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.

Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота». У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране. В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.

Включение через настройки

Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.

Включение через верхнюю панель

Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку. Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа. Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox). Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность. Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.

Меню приложения

На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.

Работа приложения GPS Status & Toolbox

Сфера использования

В смартфонах акселерометр чаще всего используется для автоматической смены ориентации экрана при повороте устройства. Также он нашел свое применение в системных жестах (таких как встряхивание), играх и навигационных приложениях, а также трекерах активности.

А самым большим и перспективным рынком для акселерометров, как это ни странно, является автомобильная промышленность. Дело в том, что в автомобилях на работе акселерометра основывается большое количество систем безопасности: адаптивный круиз-контроль и подвеска, подушки безопасности, система стабилизации и многие другие. При этом в данном случае речь идет не о чипе, используемом в смартфонах, а о полноценных приборах, чаще всего пьезоэлектрических.

В основе таких датчиков лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Благодаря давлению он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение. Также существует термальный акселерометр, архитектура которого предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, что и фиксируется датчиками, а затем используется для расчета ускорения.

Акселерометр в фитнес-браслете

Это датчик, помогающий измерить кажущееся ускорение объекта, к которому он прикреплен. Под кажущимся ускорением понимают разницу между гравитационным, а также истинным ускорением. Именно благодаря акселерометру, фитнес-браслет умеет подсчитывать количество шагов. Для этой цели в спортивный гаджет устанавливают трехкомпонентный датчик – это миниатюрное устройство, которое регистрирует ускорение по 3 осям координат.

Важно! Современные модели трекеров для фитнеса оснащаются акселерометром или гироскопом, которые отслеживают ориентацию объекта в пространстве. Далеко не все пользователи понимают, что эти устройства отличаются: акселерометр измеряет ускорение, а гироскоп – угол наклона девайса по отношению к поверхности земли.

С помощью акселерометра фитнес-трекер понимает, двигается ли рука пользователя с определенным ускорением или находится в неподвижном состоянии. Мало кто знает, что это устройство постоянно контролирует быстроту изменения скорости, затем передает данные в микропроцессор. Последнее устройство обрабатывает полученную информацию по определенному алгоритму, отличая перемещение в пространстве (с движением рук во время ходьбы) от обычных жестов руками.

Если акселерометр в фитнес-браслете дополнен гироскопом, то это позволяет получить микропроцессору более развернутую (трехмерную) картину движения руки пользователя. Благодаря этим аппаратным компонентам, трекер для фитнеса может точно отличить перемещение рук во время ходьбы от движений, совершаемых на месте.

Как работает, и как можно использовать

Чтобы понять, как действует акселерометр в фитнес-браслете и что это такое, нужно изучить механизм действия классического устройства. Мало кто знает, что оно состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

Основной деталью конструкции является подвижная масса, которая прикреплена к упругому элементу. Пружина крепится к неподвижной поверхности. С противоположной стороны находится демпфер, который подавляет колебания груза.

Как это работает?

G-сенсор представляет собой крошечный чип. Он ставится на плате устройства. В двух словах: данный чип представляет собой особую инертную массу, которая крепится к достаточно гибкой и подвижной составляющей части, закрепляемой на на подвижном элементе. Чтобы подавлять любые случайные мини колебания инертная масса должна быть присоединена к демпферу.

Принцип акселерометра заключается в том, что он производит замер уровня смещения относительно уровня состояния покоя. Далее происходит преобразование получаемой информации в электросигнал. Последний, в свою очередь, переходит к программному обеспечению, электронике. Так выглядит упрощенный пример работы датчика. Чтобы акселерометр давал точные результаты для его изготовления требуются максимально точные пропорции и расчеты. Датчик не создается вручную. Для его изготовления используются химические реакции и полностью автоматизированное производство.

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?

Любой акселерометр-браслет намного удобнее, чем смартфон, используемый в тех же целях. Можно выделить следующие преимущества таких устройств:

Носить телефон в руке для того, чтобы фиксировать все данные при движении, неудобно. К тому, же его нельзя брать с собой при занятиях плаванием. Фитнес браслет надежно крепится на руке и сопровождает своего владельца повсюду.

Чтобы использовать смартфон в качестве фитнес-браслета, потребуется постоянно держать его подключенным к интернету и другим приложениям. Фитнес-браслет достаточно синхронизировать с интернетом всего один раз в сутки.

Чтобы сохранить данные в телефоне также потребуется использование специальных программ. В браслете сохранение данных осуществляется автоматически без загрузки каких-либо дополнительных приложений.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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

Оценка этой статьи по мнению читателей:

4.9

(138)

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:

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:

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 наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии…

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Как работают акселерометры | Типы акселерометров

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 1 февраля 2022 г.

Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто — просто взгляните на спидометр! Скорость
удобное измерение, которое говорит вам, как быстро вы можете получить
из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощным
двигатель это
есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум
скорости — это просто цифры на бумаге — мало или вообще бесполезные.

Ускорение гораздо интереснее скорости и полезнее, если вам нужно уйти от опасности за рулем: это
насколько быстро что-то может ускориться или замедлиться. Измерение ускорения немного
сложнее, чем измерение скорости, потому что оно включает в себя выяснение того, как
скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете
ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием
акселерометр . Когда-то вы бы нашли такие гаджеты
только в космических ракетах или реактивных самолетах; теперь они есть практически в каждом
автомобиль, множество портативных компьютеров и всевозможные гаджеты, такие как
iPod, iPhone и Nintendo Wii. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют, что
они делают, и как они работают!

Фото: Сюда наверх! Как ваш мобильный телефон узнает, в какую сторону поворачивать дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Содержание

Для чего используются акселерометры?
Что такое ускорение?
Как работают акселерометры?
Типы акселерометров
Как работает микросхема акселерометра MEMS?
Узнать больше

Для чего используются акселерометры?

Фото: Прибор ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото предоставлено Космическим центром Джонсона НАСА (НАСА-АО).

Акселерометры — это материал ракетостроения, в буквальном смысле! Установленный 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
другую массу, так что его ускорение под действием силы тяжести минимально) и ориентацию (поскольку наклон чего-либо меняет способ воздействия на него гравитации и силу, которую оно ощущает). Акселерометры
также широко используется в инерциальная навигация и системы наведения
в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей.
Еще одно очень распространенное применение на транспорте — автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает внезапное изменение скорости автомобиля, сигнализируя о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности раскрываться.

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

Если у вас современный мобильный телефон,
MP3-плеер или портативный
игровая приставка, в нее, вероятно, встроен акселерометр, так что
чувствуется, когда вы наклоняете его из стороны в сторону. Вот как iPhone или iPod
Touch автоматически определяет, когда следует переключить макет экрана с портретного на альбомный.
Многие игры и «приложения», разработанные для таких гаджетов, как iPhone, работают, определяя, насколько интенсивно или быстро
вы перемещаете или трясете корпус, используя крошечные чипы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены тем, для чего используются акселерометры.
Знаете ли вы, например, что хай-тек
стиральные машины для одежды
иметь акселерометры, которые могут определить, когда нагрузка не сбалансирована
и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на куски?
Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и отключают их, чтобы предотвратить возгорание?
Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять
ускорение — так что давайте кратко подведем итоги. Если у вас есть машина, которая
разгоняется с места до скорости (или, строго говоря,
скорость) 100 км/ч за 5 секунд, ускорение равно изменению
скорость или скорость, деленная на время, то есть 100/5 или 20 км/ч за
второй. Другими словами, каждую секунду движения автомобиля добавляется
еще 20 км/ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы
можно измерить ускорение с помощью секундомера и автомобиля
спидометр. Просто прочитайте показания спидометра через 5 секунд, разделите
чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать ускорение момент за моментом, не дожидаясь
определенное время должно пройти? Если вы знаете о законах движения, вы
известно, 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 вашей ноге, когда вы бьете по ней
наружу) и применить его к массе (футбольному мячу), вы
ускорьте массу — мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение возникает, когда вы прикладываете силу к объекту — например, удар ногой по футбольному мячу. Ускорение — это мера того, насколько изменится скорость мяча за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащейся в объекте. Фото RJ Stratchko предоставлено
ВМС США и
Викисклад.

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

Сила = масса x ускорение

или…

F = m a

или…

a = F/m

единица массы. Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают
как они это делают: чем сильнее вы бьете (чем больше сила) или чем легче мяч (чем меньше масса), тем
большее ускорение вы произведете — и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ расчета
ускорение, не связанное с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем
измерить силу, действующую на что-то, а также его массу, мы
можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на
масса. Нет необходимости измерять скорость или время вообще!

Как работают акселерометры?

Фото: Электрик запаивает оборванные провода, подключенные к акселерометру в вертолете Seahawk. Фото принца А. Хьюза III предоставлено ВМС США и
Викисклад.

Это уравнение лежит в основе теории акселерометров: они измеряют
ускорение не путем расчета того, как скорость изменяется с течением времени, а путем
измерение силы. Как они это делают?
Вообще говоря, чувствуя, насколько масса давит на что-то, когда
на него действует сила.

Это то, с чем мы все очень хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в
заднее сиденье автомобиля, радостно занимаясь своими делами, а водитель ускоряется
внезапно обгонять медленно движущийся грузовик. Вы чувствуете, что бьетесь в ответ
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,
машина пытается тронуться без тебя и твоего сиденья, догоняющего тебя сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается
продолжать движение с постоянной скоростью, но сиденье постоянно
толкая в вас с силой и вместо этого заставляя вас ускоряться.
чем больше разгоняется автомобиль, тем больше силы вы чувствуете со своего места — и
вы действительно это чувствуете! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы создать
достаточно эффективный акселерометр: чем сильнее ваше тело
опыта, тем большее ускорение ваш мозг регистрирует от
разница между движениями вашего тела и автомобиля. (И это
получает полезные подсказки от других ощущений, в том числе от скорости
какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука
двигатель автомобиля, шум проносящегося мимо воздуха и т. д.) Момент за
В этот момент вы чувствуете изменения в ускорении из-за изменений в ощущениях.
на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы путешествовали и как
долго это заняло.

И акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Существует множество различных типов акселерометров. Механические немного похожи
уменьшенные версии пассажиров, сидящих в машинах, сдвигаются назад и
по мере действия на них сил. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине.
подвешен внутри внешнего кожуха. Когда они ускоряются, корпус
трогается сразу, но масса отстает и пружина
растягивается с силой, соответствующей ускорению.
расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально
сила растяжения) можно использовать для измерения силы и
ускорение различными способами. Сейсмометры (используются для
измерения землетрясений) работают примерно таким образом, используя перья на тяжелых
массы, прикрепленные к пружинам, для регистрации силы землетрясения. Когда
землетрясение, сотрясает корпус сейсмометра, но перо
(прикрепленный к массе) требует больше времени для перемещения, поэтому он оставляет отрывистый след
на бумажной схеме.

Иллюстрация: Основная концепция механического акселерометра: когда серая коробка акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его на место и при движении оставляет на бумаге след (синяя линия).

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем нанесения пера на бумагу, а
генерируя электрические или магнитные
сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса присоединена к потенциометру (переменный резистор), немного похожему на регулятор громкости, который поворачивает
электрический ток вверх или вниз в зависимости от размера силы
воздействуя на него. Конденсаторы также можно использовать в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся
масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.

Изображение: Общая концепция емкостного акселерометра: по мере того, как серая коробка акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и прижимает синие металлические пластины ближе друг к другу, изменяя их емкость измеримым образом.

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

Работа: Основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серая коробка акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке он сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и тем больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах на эффекте Холла сила и ускорение измеряются путем обнаружения крошечных изменений в магнитном поле.

Узнайте больше

На этом сайте

Подушки безопасности
Тормоза
Инструменты, приборы и средства измерения
Законы движения

Книги

Книги по проектам

Марка: Датчики: практическое руководство по мониторингу реального мира с помощью Arduino и Raspberry Pi Теро Карвинен, Киммо Карвинен и Вилле Валтокари. Maker Media, 2014. Опираясь на книгу выше, вы узнаете немного больше об акселерометрах в этом заголовке, особенно в «Главе 8: Ускорение и угловой момент».
Марка: боты и гаджеты Arduino от Киммо и Теро Карвинен. O’Reilly, 2011. Один из шести представленных проектов — робот, играющий в футбол, управляемый акселерометром мобильного телефона.
125 физических проектов для злого гения Джерри Сильвера. McGraw Hill Professional, 2009. Разнообразные домашние эксперименты по физике, в том числе ряд хитрых способов проверить силу и ускорение. Здесь много интересных идей, как сделать основные законы физики менее абстрактными и сухими.

Справочники

Акселерометры MEMS Махмуд Расрас, Ибрагим (Абе) М. Эльфадель, Ха Зыонг Нго. MDPI, 2019. Практическое руководство по выбору и использованию датчиков.
Справочник по современным датчикам: физика, конструкция и применение Джейкоба Фредена. Springer, 2016. Обширный технический справочник по всем видам датчиков, включая акселерометры (которые подробно рассматриваются в главе 9 «Скорость и ускорение»).

Справочник по сенсорным технологиям

Джона С. Уилсона. Newnes, 2005. Практическое руководство по выбору и использованию датчиков.

Статьи

Создание текста из воздуха Мишель Хэмпсон. IEEE Spectrum, 22 декабря 2021 г. Как акселерометры и другие датчики смартфонов могут обнаруживать, что вы пишете в воздухе по движениям запястья.
Как добавление акселерометров к ключам помешает угонщикам, Tekla S. Perry. IEEE Spectrum, 8 ноября 2017 г. Акселерометры могут сделать автомобильные ключи более безопасными, отключая их связь, когда они неактивны.
Акселерометры смартфонов могут быть обмануты звуковыми волнами Эми Нордрам. IEEE Spectrum, 17 марта 2017 г. Звуковые волны, создающие давление и силу, могут обманывать акселерометры MEMS, заставляя их давать ложные показания.
Носимая техника может помочь отслеживать насилие с применением огнестрельного оружия, Ян Чант. IEEE Spectrum, 9 сентября 2014 г. Как акселерометры могут помочь определить, когда преступники, освобожденные условно-досрочно или условно, пытаются стрелять из оружия.
Что ваш трекер активности видит и чего не видит Альберт Сан и Аластер Дант. The New York Times, 11 марта 2014 г. Небольшое введение в трекеры активности на основе акселерометров. Что они измеряют и что пропускают?
Велосипедная куртка получает награду за дизайн: BBC Newsbeat, 10 апреля 2008 г. В этой статье описывается инновационная велосипедная куртка со встроенными акселерометрами, которые приводят в действие светодиодные стоп-сигналы.

Видео

Как смартфон отличит верх от низа: Engineer Guy, 22 мая 2012 г. Простое объяснение акселерометров iPhone от Bill Hammack, Engineer Guy. Билл объясняет, что такое чипы акселерометра и как их химическим способом вытравливают из кремния.
Прогноз землетрясений с использованием акселерометров в ноутбуках: BBC News, 12 апреля 2010 г. Короткое видео, описывающее, как сеть добровольцев использует акселерометры в ноутбуках для мониторинга землетрясений.
How-to, вторник: Arduino 101 Accelerometers: Make Magazine, 7 апреля 2008 г. В этом более длинном и сложном 7,5-минутном видеоролике показано, как выглядит типичный чип акселерометра (Memsic), и показано, насколько легко его использовать с Плата электроники Ардуино.

Занятия

[PDF] Акселерометры. Создайте свой собственный детектор микрогравитации с помощью этого пошагового руководства для учителей от НАСА.
Изучаем ускорение с помощью Android: короткое задание для 11-го класса (9–12 лет), в котором рассказывается, как измерить ускорение с помощью телефона.
Exploring Acceleration with the Science Journal App Эми Коуэн, Science Buddies, 9 июля 2018 г. Хорошее введение в измерение направленного ускорения с помощью смартфона.
Измерьте высоту здания с помощью… акселерометра?: Wired, 27 июня 2017 г. Можете ли вы действительно определить высоту здания с помощью смартфона и лифта?
Где находится акселерометр в iPhone? Ретт Аллен. Wired, 22 октября 2013 г. Используя науку, чтобы выяснить, где находится ваш чип акселерометра!

Патенты

Более подробную техническую информацию см. в следующих патентах на акселерометры:

Патент США: № 5,243,861: Полупроводниковый акселерометр емкостного типа, автор Benjamin Kloeck et al, Hitachi Ltd. Выдан 14 сентября 1993. Современный акселерометр на основе чипа, который измеряет ускорение за счет изменений емкости, вызванных движущейся консольной балкой. Это гораздо более подробное описание типа чипа акселерометра, описанного и проиллюстрированного в рамке вверху, охватывающего как его работу, так и то, как он сделан.
Патент США: № 4,378,510: Миниатюрный акселерометр с пьезоэлектрическим полевым транзистором Чарльза Э. Беннета, Motorola Inc. Выдан 29 марта 1983 г. Описывает миниатюрный пьезоэлектрический акселерометр на основе полевого транзистора.
Патент США: № 982,336: Измерительный прибор Рэймонда Т. Пирса, Westinghouse. Выпущен 1 ноября 1921 года. Частично механический, частично электрический акселерометр с механизмом, который работает аналогично центробежному регулятору.
Патент США: № 1,096,942: Индикатор ускорения Роберта Оуэнса, General Electric. Выпущено 19 мая 1914 года. Устройство, измеряющее ускорение от электрического тока, создаваемого простым генератором электроэнергии, который используется для измерения скорости.
Патент США: № 982 336: Акселерометр Гарри Эгертона Вимпериса. Выпущен 24 января 1911 года. Первый механический акселерометр, работающий за счет использования движущейся массы для перемещения стрелки по циферблату.