Благодаря развитию технического прогресса у людей появилась возможность использовать достаточно большой набор инструментов, при этом нося с собой только один смартфон. Однако есть маленькая деталь, без которой использование данного устройства было бы не так удобно - акселерометр. Что это такое и почему он так важен?
Основной функцией данного прибора является измерение ускорения наземного транспорта, летательных аппаратов, ракет и другой техники. Впервые он появился в конце XIX века. Устройство устанавливали на поезда и автомобили, чтобы иметь возможность отслеживать скорость, с которой они передвигаются.
Шкала отображала все возможные и максимально допустимые значения для конкретного вида транспорта. Такое строение позволяло предотвратить превышение скоростного режима и не допустить разрушения двигателя. Но был у этого помощника и один недостаток. Что это? Акселерометр был крайне громоздким. Так что впоследствии конструкция все время изменялась.
В Россию первые такие устройства попали уже в комплекте автомобилей Ford и Mercedes-Benz. Также они шли вместе с паровозами, произведенными в Германии. Была лишь одна проблема. Она заключалась в том, что эти акселерометры не выдерживали холодный климат. А потому предприятиям транспортного машиностроения России пришлось разрабатывать собственные модели.
Разновидности
Различают следующие разновидности акселерометров:
- Емкостный. Отслеживает изменение емкости между статическим состоянием и динамическим.
- Пьезоэлектрический. Устройство работает за счет одноименного эффекта (в зависимости от давления на кристаллы, появляется электрический потенциал).
- Пьезорезистивный. Измеряет электрическое сопротивление в зависимости от приложенного механического давления.
- Устройство с эффектом Холла. Замеряет изменения в напряжении, происходящие по причине перемен в магнитном поле вокруг самого прибора.
- Магнитно-резисторный. Фиксирует изменения в магнитном поле. В отличие от предыдущего измеряет сопротивление.
- Прибор теплопередачи. В зависимости от ускорения измеряет перемены в теплоотдаче.
Новое время
На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.
Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.
На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.
Мобильная индустрия
Выше уже было сказано о том, что акселерометр - это устройство, позволяющее измерять и регулировать изменение скорости передвижения транспорта. Тем не менее сегодня его можно встретить и в сотовых телефонах.
Первое устройство
Первым мобильным устройством, получившим акселерометр, стал Nokia 5500. В столь маленьком корпусе не было возможности использовать устройство в его оригинальной форме. В силу этого было решено использовать миниатюрный чип. Внутри него находилась инертная масса. Возникает резонный вопрос: какую функцию выполнял первый акселерометр в телефоне. Что это было? То же, что крайне популярно сейчас в различных фитнес-браслетах и прочих устройствах - шагомер.
Как это работает
Общий алгоритм работы не слишком отличается от изначального прибора. Чип встраивался по принципу неподвижной конструкции с прикрепленными проводниками. Находящаяся внутри инертная масса, подвергаясь ускорению, изменяет свое местонахождение в пространстве. Благодаря этому сдвигу устройство получает данные обо всех изменениях местоположения. Отходящие от устройства проводники находились между контактами, снимающими показания счетчика.
По причине крайне малого размера всех деталей чипа производство деталей производится без вмешательства человека — только автоматизированные конвейеры.
Стоит отметить, что акселерометр в смартфоне - это деталь, позволяющая сохранять важные данные. К примеру, при нахождении устройства в полете (падение или перекидывание) прибор определяет это состояние и отдает команду о блокировке самых хрупких деталей, отвечающих за запись данных. Например, так происходит с записывающей головкой жесткого диска ноутбука.
Однако в современных гаджетах можно встретить не только акселерометр, но и гироскоп.
Что такое гироскоп?
На фото выше можно увидеть роторный гироскоп. Это устройство, реагирующее на изменение угла наклона относительно поверхности Земли. Самый простой пример — юла. Оно было изобретено в 1817 году. Его преимуществом стала возможность работы в достаточно плохих условиях, таких как:
- низкий уровень видимости;
- наличие электромагнитных помех;
- тряска поверхности и многие другие.
Разновидности
На данный момент различают две основных категории данных устройств.
По степени свободы:
- двухстепенной;
- трехстепенной.
По принципу действия:
- оптический;
- механический.
Первое появление в мобильной индустрии
Самым первым представителем этой сферы, получившим гироскопический датчик, стал смартфон от компании Apple - iPhone 4. Эта функция позволила изменять ориентацию телефона с книжной на альбомную, в зависимости от его положения в пространстве.
Подобное нововведение было крайне популярно среди покупателей, а потому другие фирмы-производители мобильных устройств достаточно быстро подхватили идею, начав установку данного элемента в собственные телефоны. Стоит отметить, что все последующие модели iPhone на обязательной основе включали в себя эту функцию.
Однако устройства на платформе Android не всегда обладают гироскопическим датчиком. Потому перед тем как приобрести устройство с данной операционной системой, стоит справиться о наличии гироскопа в устройстве. Это можно сделать:
- найдя список характеристик в Интернете;
- спросить у консультанта в магазине.
Предпочтительно первое, так как не всегда консультанты осведомлены об особенностях той или иной модели смартфона.
Как определить наличие гироскопического датчика в устройстве?
Как было сказано выше, можно ознакомиться с характеристиками телефона на сайте производителя или магазина, занимающегося его продажей. Чаще всего наличие данного элемента указывается в обязательном порядке.
Еще один вариант - проверка на видео, работающем в 360 градусов. Если при его просмотре есть функция поворота изображения в любом допустимом направлении - значит, датчик присутствует.
И последний вариант - проверка приложением AnTuTu Benchmark. Оно проводит полную диагностику смартфона и в обязательном порядке указывает наличие данного компонента.
Калибровка акселерометра телефона
Наличие такого элемента в современном смартфоне крайне важно. Оно позволяет устройству выполнять ряд крайне важных функций:
- поворот дисплея;
- выполнение действий при встряхивании экрана;
- обеспечение работы шагомера;
- демонстрация настоящего положения в пространстве.
Далее будет приведен пример того, как откалибровать акселерометр Xiaomi. Данная инструкция подойдет как для мобильных устройств данного производителя, так и для многих других смартфонов на платформе Android. Она достаточно проста и не требует много времени и знаний о работе с функциями телефона. Для запуска калибровки экрана необходимо выполнить следующую последовательность действий:
- выбрать меню «настройки»;
- перейти в пункт «дисплей»;
- нажать на функцию «калибровка акселерометра». Далее она сама проведет настройку правильного отображения изображения на экране в различных положениях.
Итоги
Несмотря на то, что акселерометр и гироскоп появились как устройства для применения в сфере машиностроения, сегодня ни один смартфон не может считаться полноценным, если эти компоненты отсутствуют. Указанные выше функции делают его использование максимально комфортным. Поэтому перед приобретением телефона обязательно убедитесь в их наличии среди списка его основных характеристик.
Акселерометр — что это такое и зачем нужен?.
Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался - болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться - стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе - не подходи, убьёт; шоколадка в кармане - прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.
Функциональные возможности современных смартфонов и планшетов позволяют использовать массу развлекательных приложений и игр, которые ничем не уступают компьютерным аналогам. Для работы некоторых приложений и игр требуется датчик измерения пространственного положения мобильного устройства, который называется акселерометр.
На сегодняшний день акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов и планшетов, а впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500 . Благодаря наличию акселерометра этот телефон можно было использовать как шагомер. Однако наличие этой функции в мобильном телефоне привлекала только любителей утренних пробежек, а пика популярности акселерометры достигли только после выхода Apple iPhone.
Сегодня уже невозможно представить "продвинутую" , в которой управление не было бы реализовано наклоном телефона или планшета. Акселерометр значительно облегчает процесс управления различными играми на мобильных устройствах. Благодаря ему, пользователь имеет возможность воздействовать на процесс игры путем перемещения девайса в то или иное положение относительно двух плоскостей. Например, с помощью акселерометра можно управлять гоночной машиной просто поворачивая мобильный телефон или планшет вправо или влево.
Акселерометр - это прибор , измеряющий ускорение объекта при каком-либо перемещении. Сфера применения акселерометра чрезвычайно широка. Она охватывает не только мобильные телефоны и планшеты, но и ноутбуки, видеорегистраторы, автомобили и самолеты. Например, в ноутбуках акселерометр предотвращает повреждение жесткого диска и потерю данных при падении.
Исходя их вышеизложенного, можно сделать вывод. Встроенный в смартфон или планшет акселерометр нужен для выполнения следующих :
1. Во время пробежек смартфоны и планшеты с акселерометром вы можете использовать как шагомер. Осуществляя контроль за количеством пройденных шагов за определенный отрезок времени, вы сможете улучшить результаты тренировок и оказать влияние на ход спортивных занятий.
2. Акселерометр упраздняет процесс управления игрой , благодаря ответному воздействию мобильного устройства на смену его положения. Развороты экрана помогают геймеру получить максимум удовольствия от игры.
3. Благодаря наличию акселерометра воссоздается определенное на данный момент положение мобильника в пространстве. Например, если вы решили использовать телефон лежа на спине, то датчик пространственного положения перевернет интерфейс девайса, облегчая комфортность восприятия отображаемой на дисплеи информации. Просмотр видео станет более привлекательным, если экран мобильного устройства будет развернут в положении альбомного формата.
Однако у каждого владельца мобильного телефона и планшета, которые используют устройства исключительно для общения, чтения и набора текстов, просмотра фотографий, возникает желание отключить функцию движения, так как при малейшем изменении положения девайса изображение на экране начинает "прыгать" и приходиться его "ловить". Чтобы отключить акселерометр необходимо зайти в пункт "Настройки", отключить функцию "Автоповорот" и в разделе "Приложения" задать необходимое положение экрана .
Для тех, кто не обнаружил акселерометра в своем мобильном устройстве, бесполезно пытаться установить его с помощью какого- то программного обеспечения
. Никакая прошивка не сможет добавить эту функцию в мобильное устройство, если самого датчика в нем нет. Другое дело, если при сбоях работы акселерометра нарушается управление, что особенно неприятно во время игр. Например, если вы играете в гонки и держите планшет абсолютно горизонтально, а управляемый вами автомобиль все время уходит в сторону, то это признак того, что акселерометр планшета необходимо откалибровать.
Чтобы откалибровать акселерометр, необходимо произвести следующие простые действия:
1. Скачайте из маркета бесплатную GPS Status & Toolbox
и запустите ее.
2. Положите телефон или планшет на абсолютно ровную поверхность. Если у устройства сзади выступает камера или крышка не очень ровная, то попробуйте снять крышку, не вынимая батарею, или найдите другой выход, чтобы найти возможность расположить девайс ровно.
3. Зайдите в пункт "Меню", затем в "Инструменты" ("Tools") и выберите "Калибровка акселерометра " среди трех предложенных вариантов: компас, A-GPS и акселерометр.
4. После этого на экране появиться сообщение с просьбой установить устройство на ровную поверхность. Если ваш мобильник или планшет уж лежат на ровной поверхности, никаких повторных действий производить уже не требуется. Нажмите кнопку "ОК" и дождитесь сообщения "Акселерометр откалиброван ".
Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, этот прибор можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом пружинами. Смещение тела относительно центра оси можно измерить с помощью механической стрелки, как показано на рисунке.
В состоянии покоя тело находится на равном удалении от стенок прибора и стрелка указывает на середину шкалы. Если весь прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по оси влево до момента, когда сила растянутой пружины уравновесит внешнюю силу. В этот момент, стрелка повернется и укажет на некоторое значение на шкале. Чем больше внешняя сила, тем дальше смещается груз, тем большее значение показывает стрелка. Когда сила перестанет действовать на тело, груз вернется на прежнее положение и прибор покажет на нулевое значение шкалы.
1. Электронный МЭМС-акселерометр
Разумеется, внешний вид современного акселерометра отличается от этой простой модели с пружинками, но не сильно. Как и прежде, для измерения ускорения нам требуется какое-то массивное тело, которое будет скользить по направляющей и удерживаться в нейтральном положении пружинками. При этом, всё это должно быть очень миниатюрным, чтобы поместиться в тот же смартфон.
На помощь приходит технология МЭМС (микроэлектромеханические системы). С помощью МЭМС удаётся выращивать механический акселерометр на кремниевой подложке таким же методом, которым создаются и обычные микросхемы.
Так выглядит МЭМС акселерометр на снимке, полученном при помощи микроскопа. Схема работы такого прибора представлена ниже.
Чтобы измерить смещение массивного тела вдоль оси прибора здесь применяется дифференциальный конденсатор. В состоянии покоя, расстояния между центральным электродом и двумя обкладками конденсатора (выделены оранжевым цветом) равны. При воздействии силы эти расстояния меняются, что в дальнейшем фиксируется специальной аналоговой измерительной системой.
Современные акселерометры имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу. Это позволяет измерять ускорение тела в любом направлении.
2. Измерение углов наклона с помощью акселерометра
Все современные смартфоны умеют определять угол своего наклона относительно горизонта. Эта функция используется для автоматического поворота экрана, а также в различных играх, где управление происходит при помощи наклона. И всё это благодаря акселерометру. Но как устройство, определяющее ускорение, может помочь вычислить угол наклона?
Дело в том, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует сила гравитации. Эта сила придаёт телам ускорение когда они падают на землю. Повернем акселерометр так, чтобы его ось оказалась в вертикальном положении. В таких условиях груз сместится вниз, растянув при этом верхнюю пружину и сжав нижнюю. В этот момент акселерометр зафиксирует величину ускорения свободного падения — 9.8 м/с².
Попробуем использовать этот факт для вычисления угла наклона акселерометра относительно горизонта. Изобразим на схеме тело, на котором закреплен трёхосевой акселерометр. Обозначим эти три оси как: Xт, Yт и Zт.
Затем повернём тело на угол a вокруг оси Xт относительно системы координат мира X, Y и Z. Предполагается, что ось мира Z направлена вдоль вектора силы гравитации (вверх), а оси X и Y вдоль горизонта. Мы смотрим на всю эту систему сбоку, так что оси мира — X и тела — Xт смотрят на нас, и мы их не видим.
В таком положении акселерометр, находящийся внутри тела зафиксирует проекции силы гравитации на все три оси: Gxт,Gyт,Gzт. При этом проекция Gxт на ось Xт будет равна нулю, так как эта ось расположена вдоль горизонта. Проекции Gyт (зеленый отрезок) и Gzт можно выразить с помощью теоремы о прямоугольном треугольнике:
Gyт = G * cos(b) Gzт = G * sin(b)
Таким образом, зная G и одну из проекций Gyт или Gzт можно вычислить угол b отклонения акселерометра от вектора гравитации Z (от вертикальной оси):
Cos(b) = Gyт/G b = arccos(Gyт/G)
Делая такие вычисления, важно учитывать, что G и Gyт должны измеряться в одинаковых единицах. Например, если мы преобразуем показания акселерометра к единицам гравитации (другими словами G = 1 — земная гравитация), то выражение для угла b примет вид:
B = arccos(Gyт/1) = arccos(Gyт)
И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:
A = 90 - b = 90 - arccos(Gyт)
Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.
Заключение
Итак, мы выяснили, что одного лишь акселерометра вполне достаточно, чтобы вычислить угол наклона тела относительно горизонта. В следующем уроке мы рассмотрим конкретный пример работы с датчиком MPU6050 на Ардуино.
Однако, следует учитывать, что вычисление углов с помощью акселерометра возможно только тогда, когда прибор находится в состоянии покоя. Ведь если на прибор во время измерения подействует любая другая сила, акселерометр непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчеты.
Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть ускорение, вызванное равнодействующейсилнегравитационной природы, действующая намассуи равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях.
Принцип действия простейшего акселерометра изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 Принцип действия простейшего акселерометра
Груз закреплен на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменаяя показания прибора.
Используемый акселерометр – акселерометр на переменных конденсаторах. Это обеспечивает компактность и высокую точность измерений.
При воздействии на подвижный элемент сенсора массой F = ma возникает смещение x i , пропорциональное ускорению.
где 𝛃– жесткость подвески,a– ускорение смещения сенсора,w 0 – собственная частота колебаний сенсора, определяющая чувствительность механической части системы.
При малых смещениях подвижной части электрический сигнал пропорционален величине смещения, которое, в свою очередь, пропорционально ускорению.
В отличие от других типов вибродатчиков, пьезоэлектрический акселерометр эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах.
Акселерометр различают по:
Виду движения
линейный;
По технологии изготовления
пьезоэлектрические акселерометры;
пьезорезистивные акселерометры;
акселерометры на переменных конденсаторах.
Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Отличаются широким диапазоном частот (от нескольких Гц до 30 кГц), при этом частотная характеристика может оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
Наиболее распространенный тип акселерометра, используемый для измерения механической вибрации и ударов – пьезоэлектрический акселерометр. Это определяется качествами, свойственными этому типу датчиков вибрации.
Основные преимущества пьезоэлектрических акселерометров:
широкий частотный диапазон;
линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;
возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виюроперемещению;
способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность);
высокая механическая надежность и долговечность (нет движущихся частей);
отсутствие необходимости в источнике питания, т.к. пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа.
Пьезоэлектрический акселерометр состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. Пьезоэлемент из поляризованной пьезокерамики или пьезокристалла выполняет роль пружины, соединяющей массу с основанием. В силу своей инертности при воздействии вибрации на основание пьезоакселерометра, инерционная масса отстает в своем движении от основания, это вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на его обкладках заряда, пропорционального ускорению.
Рисунок 2 Основной принцип работы пьезоэлектрических акселерометров
Акселерометры на переменных конденсаторах – продукт самых современных технологий. Они отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3кГц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180 0 С не превышает 1.5 %. Акселерометры этого типа отлично подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения, однако их стоимость ввиду новизны препятствует широкому распространению.
Рисунок 3 Основной принцип работы акселерометров на переменных конденсаторах
Существуют определенные требования к установке акселерометров при диагностировании объекта контроля. Эти требования включают в себя следующее:
акселерометр должен воспроизводить, насколько это возможно, движение испытуемой конструкции в месте установки датчика;
установка акселерометра должна влиять на колебания конструкции в минимальной, насколько это возможно, степени;
отношение сигнала с выхода акселерометра к воспринимаемым им колебаниям не должно быть искажено влиянием собственной резонансной частоты установленного акселерометра.
Для реализации указанных принципов необходимо выполнить следующие требования:
акселерометр и его крепление должны быть максимально жесткими и твердыми, а поверхность крепления – максимально чистой;
само крепление должно вносить минимальные искажения в движение конструкции, для чего рекомендуется использование симметричных креплений;
масса акселерометра вместе с устройством крепления должна быть мала в сравнении с динамической массой конструкции.
Поверхность, на которую устанавливается датчик, должна быть проверена на гладкость и наличие загрязнений и, если необходимо, подвергнута дополнительной шлифовке.
