Акселерометр в смартфоне. Что это такое и зачем он нужен? Акселерометр – что это

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.

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

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

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

Принцип работы устройства

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

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

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

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.

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

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

А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.

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

Что же собой представляет это устройство?

Суть понятия «акселерометр»

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

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

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

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

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

Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:

1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
2. Автомобильные спидометры и 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 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 .

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

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

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.

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

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

Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:

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

Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.

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

Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.

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

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