Как работает акселерометр: Акселерометр: что это, для чего нужен, как работает

Как это работает? | Акселерометр

Акселерометр — это датчик для измерения ускорения. Он был изобретен в конце 19 века и предназначался для установки в автомобилях и паровозах для контроля за скоростью. Первые акселерометры были тяжелыми и громоздкими. Они основывались на использовании инерционной силы, движущейся с ускорением массы, и представляли собой маятник со спиральной пружиной. При ускорении или замедлении корпуса грузик стремился сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. Одна из пружин при этом сжималась, а маятник совершал перемещение. Величина этого перемещения и определялась акселерометром для вычисления ускорения. Как же работает современный акселерометр, используемый в смартфонах, — об этом в сегодняшнем выпуске!

Впервые акселерометр был установлен в мобильный телефон Nokia 5500, благодаря чему его можно было использовать как шагомер. В силу конструктивных особенностей мобильных устройств использовать традиционный акселерометр с маятником невозможно. Поэтому он заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.

Принцип работы такого чипа схож с классическим акселерометром: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Благодаря этому смартфон получает данные о своем положении в пространстве. Сам чип представляет собой неподвижный корпус, к которому на специальных упругих приставках крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками. Эти отводы размещаются между контактами, которые снимают показания. При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои значения, что и служит показателем для измерения.

В чипе все элементы крайне малы, поэтому они производятся на автоматизированных конвейерных линиях без участия человека, а при их изготовлении применяются реакции силикона с другими веществами.

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.

Видео про технологииИстория технологий

Для отправки комментария вы должны или

что это такое, зачем нужен и где применяется

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 акселерометр и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.

В этой статье: показать

Суть понятия «акселерометр»

Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение – это разница между гравитационным и истинным ускорениями объекта.

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.

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

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.

Для чего нужен акселерометр в смартфоне

Датчик значительно расширяет возможности смартфона. Ниже перечислены основные функции, за которые он отвечает.

• 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 шагометра.

Как выглядит акселерометр в телефоне

Акселерометр в телефоне выглядит как обычный чип. В зависимости от модели смартфона может на вид незначительно отличаться. Принцип работы представить себе проще на примере механического варианта: в нём есть массивный элемент, закреплённый упругими подвесами, давление на которые можно измерить. В зависимости от задачи, подвесов может быть от одного до трёх.

Электронный акселерометр вместо массивного тела использует набор проводников, которые могут двигаться под воздействием ускорения и изменять напряжённость поля вокруг себя. По показаниям напряжённости можно определить, в какую сторону сдвинулись проводники и какое движение корпуса вызвало этот сдвиг. Комплексный датчик, включающий гироскоп, может иметь больше осей – до шести.

Вот так выглядит акселерометр в телефоне.

Трёхосный акселерометр довольно точно определяет как положение тела в пространстве в каждый момент, так и его изменение. При этом он постоянно собирает и отправляет информацию о давлении на подвесы. Что это даёт? Так, например, датчик акселерометра в телефоне помогает не только определить положение корпуса устройства в пространстве, но и скорость, с которой вы перемещаетесь, и сотрясения, производимые вашими шагами, и намеренные встряхивания смартфона.

Именно поэтому, повернув корпус телефона, вы наблюдаете, как картинка на экране тоже поворачивается. Именно поэтому вы можете в гоночной игре рулить, используя смартфон или геймпад как рулевое колесо. Именно поэтому фитнес-трекер умеет подсчитывать ваши шаги или отслеживать качество сна.

Как узнать, есть ли акселерометр в телефоне

Практически во всех смартфонах и планшетах, выпущенных в эпоху Android и iOS, этот датчик есть. Даже в самом первом айфоне, выпущенном в 2007 году, и в первом Samsung Galaxy S, вышедшем в 2010-м.

Если вы сомневаетесь, есть ли он в вашем устройстве, то просто почитайте официальное описание. В ранних Андроид-смартфонах поворот экрана не обязательно включался по умолчанию, поэтому, если вы повернули свой телефон и дисплей не отреагировал, это ещё ни говорит об отсутствии акселерометра. Вероятнее всего, что он отключен в настройках телефона. Найдите похожую иконку, как на рисунке ниже и активируйте.

Принцип работы

Основным принципом для оснащения современных телефонов данным прибором является компактность, так как у многих смартфонов толщина корпуса не превышает восьми миллиметров, а там должно разместиться огромное количество разной электроники. Именно поэтому разработчики создали миниатюрную конструкцию акселерометра, который поместили в специальный чип.

Принцип его работы заключается в том, что к неподвижному корпусу крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками, которые помещаются между контактами, считывающими показания изменений ускорения. Создавать такие миниатюрные версии прибора вручную практически невозможно, поэтому их делают на автоматизированных конвейерных линиях, а за основу берут реакции силикона и других веществ.

Преимущества и возможности

Плюсы такого устройства заключается в том, что пользователь смартфона в любой момент сможет узнать о положении гаджета в пространстве. При том, что в играх и во время просмотров фильмов можно регулировать не только поворот экрана, но и скорость этого поворота, а это позволяет создать максимально точное управление телефоном.

Наличие датчика определения положения смартфона позволяет упростить процесс пользования им, а точнее – сделать максимально комфортными такие действия как чтение книг, просмотр видео и пользование приложениями. Иногда, прежде чем акселерометр начнет работать, его нужно настроить, однако этот процесс занимает несколько минут.

Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах

Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах помогает считать количество пройденных шагов. Собственно, это акселерометр в браслете и в smart-часах отслеживает ваши движения даже во сне. А программная обработка его показаний помогает распознать, идёте вы или бежите, с какой скоростью, как много шагов подряд сделали.

Когда вы поднимаете руку к лицу и дисплей автоматически включается – это тоже благодаря распознаванию жестов с помощью того же маленького, но полезного модуля.

Функции акселерометра и их применение

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

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.

При подсчёте шагов смартфон также обращается к данным, получаемым от акселерометра.

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 изменение угла наклона смартфона в гоночных симуляторах повышает уровень погружения в игровой процесс и улучшает точность вхождения в поворот.

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.

Автоматический поворот экрана удобен для просмотра видео или работы с документами.

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.

Одной из областей применения встроенного акселерометра является определение угла наклона

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.

Настройки телефона предполагают управление жестами, которое активируется также посредством акселерометра

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.

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 или отключение опции автоматического поворота производится в настройках.

Особенности акселерометра

Акселерометр – это, если можно так сказать, способность планшета или телефона переворачивать изображение на экране. Акселерометр больше всего применяется при «серфинге» сайтов. Страницы сайтов обычно делают для прямоугольных мониторов,  читать информацию с планшета становиться не совсем удобно, тут-то и понадобиться акселерометр, переверните ваш планшет, сайт сам примет доброжелательный вид и сразу станет удобно воспринимать информацию находящиеся на сайте.

Первый реагирует на изменение положения, а второй на линейное ускорение. Благодаря таким свойствам планшет или телефон точно реагирует на тонкие движение и изменение положения.

Как настроить?

Все современные гаджеты оборудованы акселерометром, если его нет, это говорит либо об очень бюджетной модели смартфона, либо о том, что он был выпущен много лет назад. Для того, чтобы добавить датчик контроля ускорения, не поможет новая прошивка или изменения в настройках, если он не был внедрен в процессе сборки, то с этим уже ничего сделать нельзя.

Если же он был встроен изначально, то его функции необходимо просто отрегулировать в настройках. Для этого следует зайти в Google Play и скачать любое приложение для калибровки. После этого запустить программу, установить смартфон на ровную поверхность и зайти в настройки утилиты, выбрать графу «калибровка акселерометра». После таких действий на экране должно появиться оповещение, которое нужно подтвердить, после чего начнется запуск настройки.

Чем отличается акселерометр от гироскопа

Многие путают акселерометр с гироскопом в телефоне. Если акселерометр определяет положение устройства в пространстве и расстояние, на которое оно было перемещено, то гироскоп, дополнительно к этим параметрам, еще и замеряет угол поворота смартфона/планшета.

Наличие обоих датчиков в аппарате позволяет точнее его позиционировать в пространстве, повышая комфортность работы с гаджетом и увеличивая его функциональность, например, позволяя просматривать виртуальную реальность с помощью специальных очков.  В недорогих смартфонах или планшетах обыкновенно присутствует только один из этих датчиков.

Настройка и калибровка акселерометра

Если датчик работает неправильно или с запозданием, например, автоматический поворот экрана притормаживает, то можно попробовать исправить этот дефект калибровкой с использованием специальных утилит. Рассмотрим калибровку датчика с помощью приложения GPS Status & Toolbox, установить которую можно из официального каталога Google Play.

1. Установите приложение и запустите его.
2. Перейдите в меню программы, нажав на три горизонтальные полоски в левом верхнем углу, и выберите пункт «Калибровка акселерометра».
3. Приложение предложит положить телефон на ровную, горизонтальную поверхность и нажать на кнопку «Откалибровать».
4. О завершении процесса приложение сообщит соответствующим уведомлением внизу экрана.

На сегодня во всех смартфонах и планшетах имеется датчик ускорения, даже в самых дешевых моделях, разве что лишь в самых древних аппаратах его может не быть. Можно сказать, что акселерометр – это один из самых важных элементов современных мобильных устройств.

Как выполнить калибровку акселерометра

Данный датчик является одним из самых полезных, ведь с его помощью определяется ориентация устройства в пространстве, да и многое игры используют данный сенсор для управления, к примеру, для контроля автомобиля на трассе. Если по каким-то причинам он работает не корректно вам стоит выполнить следующие действия. Для выполнения данного действия вам потребуется программа GPS Status & Toolbox.

1. Скачиваем, устанавливаем и запускаем приложение.
2. Теперь необходимо положить смартфон/планшет на ровную поверхность, чтобы в дальнейшем откалибровать датчик как можно правильнее. Значения наклона должны приравниваться к нулю, как показано на скриншоте.
3. Нажимаем на левый верхний угол и попадаем в основное меню, где необходимо выбрать раздел «Калибровка акселерометра».
4. Убедитесь в том, что устройство лежит на идеально ровной поверхности и выберете пункт «Откалибровать».
5. Практически мгновенно программа выполнит необходимые действия, а на экране устройства появится надпись «Акселерометр откалиброван».

Как выполнить калибровку компаса

Компас является полезным инструментом для путешественников и охотников, которые не хотят заблудиться в лесу и могут спокойно ориентироваться с его помощью. Но что делать если компас не работает или показывает направление неверно? Выход прост! Достаточно сделать калибровку используя программу GPS Status & Toolbox.

1. Скачиваем, устанавливаем и запускаем приложение.
2. Открываем основное меню приложения, нажав на верхний левый угол. Находим пункт «Калибровка компаса» и нажимаем на него.
3. Для калибровки компаса необходимо по очереди повернуть устройство 1-2 раза по 3-м осям и нажать на кнопку «ОК».
4. На этом процесс калибровки компаса можно считать завершенным.

Для проверки всех датчиков на работоспособность вам следует загрузить и установить программу GPS Status & Toolbox. Зайти в основное меню, нажав на верхний левый угол и выбрать «Диагностика датчиков». Напротив, каждого из датчика будет стоять либо зеленая галочка, свидетельствующая об исправности, либо красный восклицательный знак, символизирующий о возможной неисправности конкретного датчика.

Включение и отключение датчика

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.

Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильника не требуется – и даже может мешать. В таких случаях датчик можно отключить, воспользовавшись одним из тех меню, в которых можно включать автоповорот.

Вывод

Акселерометр в мобильном устройстве, представляющий собой лишь крохотный чип, имеет существенное влияние на взаимодействие между человеком и смартфоном. С его помощью управление аппаратом переходит на новый, более комфортный уровень. А игры и приложения получают множество дополнительных возможностей, которые можно реализовать при помощи акселерометра.

Видео

Источники

• http://geek-nose.com/akselerometr-v-telefone-chto-eto-princip-raboty-foto/
• https://mobcompany.info/interesting/chto-takoe-akselerometr-v-smartfone-princip-ego-stroeniya-i-raboty.html
• https://iSmartWatch.ru/18620-akselerometr
• https://VGrafike.ru/preimushhestva-nalichija-akselerometra-v-telefone/
• https://tehno.guru/ru/akselerometr-v-telefone/
• https://androidologia.ru/kak-vklyuchit-giroskop-na-androide.html
• https://infodroid.ru/akselerometr-v-telefone/
• https://TvoySmartphone.ru/uroki/157-kak-otkalibrovat-datchiki-na-android.html
• https://www.computer-setup.ru/akselerometr-v-telefone-chto-eto-takoe

Как работает акселерометр?

среда, 6 октября 2021 г. | Валери Рапп

Категории :

Товары

Ярлык :

Система управления топливом самолета

Указатель уровня топлива в самолете

Измерение авиационного топлива

Акселерометр измеряет физическое ускорение объекта. Акселерометр обеспечивает точное измерение ускорения, уровней напряжения, факторов нагрузки, коэффициентов передачи и значений усталости. Акселерометры используются во многих отраслях промышленности, а также в предметах повседневного обихода, таких как смартфоны, цифровые камеры и контроллеры для видеоигр. Для акселерометров в самолетах AMETEK производит пьезоэлектрические и инерционные датчики.

Как работает акселерометр?

В акселерометре используются электромагнитные датчики, которые измеряют вибрацию конструкции, в нашем случае самолета. Сила, вызванная вибрацией, заставляет акселерометр производить электрический заряд, указывающий, какая сила была приложена. Акселерометры упрощают измерение ускорения, преобразуя его в измеряемые сигналы.

Какие типы акселерометров предлагает AMETEK?

Пьезоэлектрический:

Пьезоэлектричество — это электричество, возникающее под действием давления. Эти акселерометры доступны в трех режимах работы:

AMETEK поставляет акселерометры типа на сдвиг с болтовым креплением для применения при температуре до 350°C и акселерометры на сжатие типа для применения при температуре до 600°C. При максимальной температуре монтажа 490°C и максимальной температуре окружающего воздуха 378°C.

Инерциальные:

Инерциальные акселерометры используются в военных и коммерческих самолетах, оборудованных цифровыми регистраторами полетных данных или DFDR. Они обеспечивают ввод данных в «черный ящик» самолета и могут быть проанализированы в случае крушения самолета. Он предоставляет данные о поперечном, долготе и вертикальном ускорении.


ОБЗОР SFMS

AMETEK Sensors and Fluid Management Systems (SFMS) — мировой лидер в разработке, тестировании и производстве датчиков для коммерческих, военных, оборонных, бизнес-джетов и космических рынков. Эти датчики поддерживают приложения, связанные с температурой, давлением, уровнем жидкости, потоком жидкости, положением и ускорением/скоростью, многие из которых должны работать в жестких условиях эксплуатации. SFMS производит продукты для систем, работающих в наиболее важных коммерческих и военных авиационных программах в истории аэрокосмической отрасли.

Для получения дополнительной информации о датчиках для приложений военной обороны, пожалуйста, свяжитесь с Валери, вице-президентом по продажам и маркетингу, по телефону [email protected]

Для получения дополнительной информации или контакта:
 

Архивы


Пропустить навигационные ссылки.

2022(3)

ноябрь(1)

Август(1)

Январь(1)

2021(4)

Как работают акселерометры | Типы акселерометров

org/Person»> 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! Как ваш мобильный телефон узнает, в какую сторону поворачивать дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Содержание

1. Для чего используются акселерометры?
2. Что такое ускорение?
3. Как работают акселерометры?
4. Типы акселерометров
5. Как работает микросхема акселерометра MEMS?
6. 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 элемент 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 инерциальной навигации и системах 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 проектов по физике 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 МЭМС Махмуда Расраса, Ибрагима (Абе) М. Эльфаделя, 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 рассказывается об инновационной велосипедной куртке 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.
• Практическое руководство, 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 19 г.93. 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.