Акселерометр | это… Что такое Акселерометр?
Схема простейшего акселерометра. Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора
Акселеро́метр (лат. accelero — ускоряю и др.-греч. μετρέω «измеряю») — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением, точнее ускорением свободного падения). Существуют трёхкомпонентные (трёхосевые) акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трём осям.
Некоторые акселерометры также имеют встроенные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.
|
Содержание
|
Применение
Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных[1] измерений проекции гравитационного ускорения.
Последнее свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра.
Электронные В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.
Наравне с гироскопом является неотъемлемым компонентом навигации (системы управления траекторией движения) ракет и других беспилотных летательных аппаратов.
Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных.
Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.
Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.
Параметры
Основными параметрами акселерометра являются
- Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
- Смещение нуля — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.
- Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
- Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения.
Примечания
- ↑ через силу реакции опоры
Ссылки
- Практическое применение акселерометра MMA 7455L
- Практический опыт с MEMS акселерометром MMA 7260Q от Freescale
- Интерпретация измерений оптического акселерометра
- Использование аналогового акселерометра как инклинометра
Акселерометр: что это такое и как им определять наклон тела
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.
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) [1] Gzт = G * sin(b) [2]
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 [3] b = arccos(Gyт/G) [4]
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) [5]
И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:
a = 90 - b = 90 - arccos(Gyт) [6]
Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.
К размышлению
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.
Частично снять это вредное воздействие внешних сил можно с помощью фильтра низких частот, о котором мы уже рассказывали.
Можно пойти вообще по другому пути — использовать не акселерометр, а гироскоп. С помощью него тоже можно вычислять углы наклона. А самый правильный способ — объединить вместе показания разных датчиков, о чем можно узнать в статье про комплементарный фильтр.
: что это такое и как они работают
При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Приложение компаса для iPhone использует акселерометр телефона, чтобы определить, в каком направлении вы смотрите. (Изображение предоставлено Apple.com) Когда вы используете приложение компаса на своем смартфоне, оно каким-то образом знает, в каком направлении указывает телефон. С приложениями для наблюдения за звездами он каким-то образом знает, где на небе вы смотрите, чтобы правильно отображать созвездия. Смартфоны и другие мобильные технологии определяют свою ориентацию с помощью ускорителя, небольшого устройства, состоящего из датчиков движения на основе осей.
Датчики движения в акселерометрах можно использовать даже для обнаружения землетрясений, а также в медицинских устройствах, таких как бионические конечности и другие искусственные части тела. Некоторые устройства, входящие в состав количественного самодвижения, используют акселерометры.
Акселерометр представляет собой электромеханическое устройство, используемое для измерения сил ускорения. Такие силы могут быть статическими, как постоянная сила тяжести, или, как в случае со многими мобильными устройствами, динамическими для восприятия движения или вибраций.
Ускорение — это измерение изменения скорости или скорости, деленное на время. Например, автомобиль, разгоняющийся с места до 60 миль в час за шесть секунд, определяется как имеющий ускорение 10 миль в час в секунду (60 разделить на 6).
Назначение акселерометра
Применение акселерометров распространяется на множество дисциплин, как академических, так и потребительских. Например, акселерометры в ноутбуках защищают жесткие диски от повреждений.
Если ноутбук внезапно упадет во время использования, акселерометр обнаружит внезапное свободное падение и немедленно отключит жесткий диск, чтобы избежать удара считывающих головок о пластину жесткого диска. Без этого два удара могут привести к царапинам на пластине, что приведет к повреждению больших файлов и чтению. Акселерометры также используются в автомобилях как отраслевой метод обнаружения автомобильных аварий и почти мгновенного срабатывания подушек безопасности.
В другом примере динамический акселерометр измеряет гравитационное притяжение, чтобы определить угол наклона устройства по отношению к Земле. Определяя величину ускорения, пользователи анализируют, как движется устройство.
Акселерометры позволяют пользователю лучше понимать окружение предмета. С помощью этого небольшого устройства вы можете определить, движется ли объект в гору, упадет ли он, если еще немного наклонится, летит ли он горизонтально или под углом вниз. Например, смартфоны поворачивают свой дисплей между портретным и ландшафтным режимами в зависимости от того, как вы наклоняете телефон.
Как они работают
Ускоритель выглядит как простая схема для какого-то более крупного электронного устройства. Несмотря на свой скромный вид, акселерометр состоит из множества разных частей и работает по-разному, два из которых — пьезоэлектрический эффект и емкостной датчик. Пьезоэлектрический эффект является наиболее распространенной формой акселерометра и использует микроскопические кристаллические структуры, которые испытывают напряжение из-за ускоряющих сил. Эти кристаллы создают напряжение от напряжения, и акселерометр интерпретирует напряжение для определения скорости и ориентации.
Акселерометр емкости определяет изменения емкости между микроструктурами, расположенными рядом с устройством. Если ускоряющая сила перемещает одну из этих структур, емкость изменится, и акселерометр преобразует эту емкость в напряжение для интерпретации.
Акселерометры состоят из множества различных компонентов и могут быть приобретены как отдельное устройство. Доступны аналоговые и цифровые дисплеи, хотя для большинства технологических устройств эти компоненты интегрированы в основную технологию, и доступ к ним осуществляется с помощью управляющего программного обеспечения или операционной системы.
Типичные акселерометры состоят из нескольких осей, две из которых определяют двумерное движение, а третья — для трехмерного позиционирования. В большинстве смартфонов обычно используются модели с тремя осями, тогда как автомобили просто используют только две оси для определения момента удара. Чувствительность этих устройств довольно высока, поскольку они предназначены для измерения даже очень незначительных сдвигов в ускорении. Чем чувствительнее акселерометр, тем проще он может измерить ускорение.
9Акселерометры 0002, активно используемые во многих электронных устройствах в современном мире, также доступны для использования в пользовательских проектах. Являетесь ли вы инженером или техническим специалистом, акселерометр играет очень активную роль в широком спектре функций. Во многих случаях вы можете не заметить наличие этого простого датчика, но есть вероятность, что вы уже используете устройство с ним.Как работает акселерометр и для чего он нужен?
Что такое акселерометр? Это устройство, позволяющее измерять и анализировать линейное и угловое ускорение.
Эта функция необходима для многих основных устройств и систем, используемых почти во всех сферах жизни, будь то бытовая техника, профессиональные промышленные приложения или приложения для исследований и разработок.
В этой статье вы найдете ответы на следующие вопросы:
- Что такое акселерометр?
- Как работает акселерометр?
- Какие существуют типы акселерометров?
Что такое акселерометр?
Акселерометры применяются при измерении статического ускорения свободного падения, позволяющего определить угол отклонения измеряемого объекта от вертикальной плоскости, а также при измерении динамического ускорения вследствие удара, движения, удара или вибрации, т.е. малые амплитуда и частота (до 100 Гц) колебаний.
-
Как работает акселерометр при измерении вибрации? Устройство реализовано непосредственно на вибрирующем объекте, что позволяет акселерометру преобразовывать энергию вибрации в электрический сигнал, пропорциональный мгновенному ускорению объекта.
-
Что делает акселерометр? Измерение вибрации обычно используется для диагностики работы машин, оборудования или конструкций, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как стальные конструкции, мачты, мосты или здания. Акселерометры также используются, в том числе, для защиты жестких дисков от повреждений, в медицинском и спортивном оборудовании, камерах и видеорегистраторах, смартфонах, пультах дистанционного управления, контроллерах и навигационных системах.
-
Что такое акселерометр? Это просто датчик ускорения, который измеряет собственное движение в пространстве. Существует три основных типа акселерометров, о которых вы можете узнать далее в этой статье.
Перейти в каталог »
Как работает акселерометр?
Принцип работы акселерометра не слишком сложен. Он измеряет силу ускорения в единицах (g) и проводит измерения в одной, двух или трех плоскостях.
В настоящее время наиболее часто используемыми акселерометрами являются 3-осевые акселерометры, которые выполнены в виде системы из трех отдельных акселерометров, каждый из которых измеряет ускорение в различном направлении — в X, Y и Z плоскостей. Примером 3-осевого акселерометра является модель
Если ускорение в какой-либо плоскости работает в направлении, противоположном тому, в котором направлен датчик, акселерометр будет измерять ускорение с отрицательным значением. В противном случае ускорение будет измерено с положительным значением.
Если к акселерометру не приложено внешнее ускорение, прибор будет измерять только стандартное ускорение свободного падения, т.е. силу тяжести. Если предположить, что 3-осевой акселерометр расположен так, что датчик по оси X указывает влево, датчик по оси Y направлен вниз, а датчик по оси Z направлен вперед, при этом к устройству не применяются никакие силы, акселерометр покажет следующее: X = 0 г , Y = 1 г , Z = 0 г .
Если тот же акселерометр наклонить влево, он покажет следующие значения: X = 1 g , Y = 0 g , Z = 0 g . Точно так же, если устройство наклонено вправо, ось X покажет X = -1 g . Такие зависимости в измерении ускорений используются алгоритмами систем управления ускорителями.
Какие бывают типы акселерометров?
Три основных типа акселерометров: емкостные акселерометры MEMS, пьезоэлектрические акселерометры и пьезорезистивные акселерометры.
Емкостные акселерометры MEMS
Емкостные акселерометры MEMS являются самыми дешевыми, наиболее распространенными и самыми маленькими в своем роде. Как работает емкостный акселерометр MEMS? Принцип его действия сводится к изменению положения подвешенной на пружинах пробной (сейсмической) массы. Один конец пружины прикреплен к пластине гребенчатого конденсатора, а другой конец прикреплен к массе.
Под действием силы, действующей на датчик, сейсмическая масса перемещается, что вызывает изменение расстояния между пластиной и массой, а значит, и изменение емкости. 9Модели 0035 SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267 или SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926 являются примерами акселерометров MEMS.
| SF-DEV-09267 | SF-BOB-13926 |
Емкостные акселерометры MEMS в основном применяются в носимых устройствах, мобильных устройствах и бытовой электронике. Одним из самых больших преимуществ акселерометров MEMS является возможность их монтажа непосредственно на печатной плате.
К недостаткам МЭМС-систем можно отнести низкую точность измерений, особенно в случае измерений более высоких амплитуд и частот, что делает их непригодными для специализированного промышленного применения.
Пьезорезистивные акселерометры
Другим типом акселерометров являются пьезорезистивные датчики.
Как работает пьезорезистивный акселерометр? Принцип действия аналогичен тензодатчику, т.е. датчику, измеряющему напряжения. Этот тип акселерометра выполнен с использованием пьезорезистивного материала, который под действием внешней силы деформируется, что приводит к изменению сопротивления.
Затем изменение преобразуется в электрический сигнал, принимаемый приемником, интегрированным с акселерометром. Пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном измерений, благодаря чему они способны регистрировать вибрации высоких амплитуд и частот, что полезно, в том числе, при различных краш-тестах.
Еще одним преимуществом пьезорезистивных ускорителей является их способность измерять медленно меняющиеся сигналы, что позволяет применять их в инерциальных навигационных системах для расчета скорости и движения компонентов системы.
Как работает пьезорезистивный акселерометр делает его устойчивым к изменениям температуры окружающей среды, что требует температурной компенсации.
Кроме того, пьезорезистивные акселерометры имеют проблемы с обнаружением слабых сигналов и намного дороже, чем емкостные акселерометры MEMS.
Пьезоэлектрические акселерометры
Что такое пьезоэлектрический акселерометр? Этот датчик является одним из наиболее часто используемых датчиков для измерения уровня вибрации. Поэтому пьезоэлектрические акселерометры широко используются в промышленности для диагностики и контроля машин и оборудования. Как работает пьезоэлектрический акселерометр? Работает аналогично пьезорезистивным системам. Однако под действием ускорения они не изменяют своего сопротивления, а генерируют электрическое напряжение определенной величины.
Измерительный элемент этих датчиков обычно представляет собой цирконат-титанат свинца (PZT). Цирконат титанат свинца деформируется и генерирует электрический заряд. Пьезоэлектрические акселерометры обладают высокой чувствительностью и точностью, что делает их пригодными для широкого спектра применений — от чрезвычайно сложных и точных сейсмических измерений до краш-тестов и испытаний на удар в неблагоприятных условиях.
