Акселерометр принцип работы. Акселерометр: принцип работы, устройство и применение трехосевых датчиков движения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает акселерометр в смартфоне и других устройствах. Что такое трехосевой акселерометр и чем он отличается от гироскопа. Где применяются акселерометры и какие у них основные характеристики.

Содержание

Что такое акселерометр и как он работает

Акселерометр — это датчик, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Он позволяет определить положение и перемещение устройства в пространстве. Принцип работы акселерометра основан на инерции:

Внутри датчика находится инертная масса, закрепленная на пружинах
При ускорении устройства масса смещается относительно корпуса из-за инерции
Специальные датчики фиксируют величину этого смещения
На основе данных о смещении вычисляется ускорение

Таким образом, акселерометр преобразует механическое воздействие (ускорение) в электрический сигнал. Современные акселерометры в смартфонах и других устройствах — это миниатюрные MEMS-датчики размером всего несколько миллиметров.

Устройство трехосевого акселерометра

Трехосевой акселерометр позволяет измерять ускорение сразу по трем осям пространства — X, Y и Z. Его конструкция включает:

Три отдельных чувствительных элемента, ориентированных по трем осям
Инертную массу на упругих подвесах для каждой оси
Емкостные, пьезорезистивные или другие преобразователи перемещения массы в электрический сигнал
Электронную схему обработки сигналов с трех осей

Благодаря трехосевой конструкции такой акселерометр может определять положение устройства в трехмерном пространстве и фиксировать любые его перемещения.

Основные характеристики акселерометров

Ключевые параметры, определяющие возможности акселерометров:

Диапазон измерений — максимальное ускорение, которое может измерить датчик (обычно ±2g, ±4g, ±8g и т.д.)
Чувствительность — минимальное изменение ускорения, которое способен зафиксировать акселерометр
Нелинейность — отклонение реальной характеристики от линейной зависимости

Полоса пропускания — диапазон частот, в котором акселерометр способен измерять ускорения
Шумовые характеристики — собственные шумы датчика, ограничивающие точность измерений

Выбор конкретных параметров акселерометра зависит от области его применения.

Отличия акселерометра от гироскопа

Акселерометр и гироскоп — это разные датчики движения, хотя они часто дополняют друг друга:

Акселерометр измеряет линейное ускорение объекта
Гироскоп определяет угловую скорость вращения
Акселерометр лучше работает при поступательном движении
Гироскоп эффективнее при вращательном движении
Акселерометр чувствителен к вибрациям, гироскоп — нет
Гироскоп имеет дрейф нуля, акселерометр — практически нет

Поэтому в современных устройствах часто применяют комбинацию акселерометра и гироскопа для точного определения движений.

Применение акселерометров в различных устройствах

Благодаря миниатюрным размерам и низкой стоимости MEMS-акселерометры нашли широкое применение:

Смартфоны и планшеты — определение ориентации экрана, управление жестами
Фитнес-трекеры — подсчет шагов, анализ активности
Ноутбуки — защита жесткого диска при падении
Фотоаппараты — стабилизация изображения
Автомобили — системы безопасности, навигация
Промышленное оборудование — вибродиагностика, мониторинг
Робототехника — определение положения и движения роботов

Области применения акселерометров постоянно расширяются по мере развития технологий.

Как работает акселерометр в смартфоне

В современных смартфонах акселерометр выполняет несколько важных функций:

Автоматический поворот экрана при изменении ориентации устройства

Определение положения смартфона для навигационных приложений
Подсчет шагов и анализ физической активности пользователя
Управление в играх наклоном устройства
Распознавание простых жестов (встряхивание, постукивание)

Акселерометр в смартфоне непрерывно измеряет ускорение по трем осям. Специальное программное обеспечение анализирует эти данные и определяет текущее положение и перемещения устройства.

Перспективы развития технологии акселерометров

Основные направления совершенствования MEMS-акселерометров:

Повышение точности и снижение шумов
Уменьшение энергопотребления
Интеграция с другими датчиками (гироскопами, магнитометрами)
Расширение функциональности за счет программных алгоритмов
Применение новых материалов и технологий производства

В будущем ожидается дальнейшая миниатюризация акселерометров и их интеграция в самые разные устройства и материалы. Это откроет новые возможности для анализа движения и взаимодействия человека с окружающим миром.

Что такое трёхосный акселерометр.

Акселерометры нашли широкое применение в строительстве. Такие приборы часто используют, чтобы определить углы крена и тангаж сооружения. Они позволяют рассчитать ускорение, действующее в направлении осей x, y и z. С помощью акселерометров следят за состоянием уже построенных сооружений. Также эти приборы используются на этапе возведения зданий.

Аналоговые устройства позволяют получить три параллельных сигнала (по одному на каждую ось). Можно найти и акселерометры с аналогово-цифровым преобразователем. Они схожи тем, что уровень напряжения прямо пропорционален ускорению, действующему вдоль оси. Это даёт возможность правильно расположить объект и следить за тем, как он «себя поведёт» по завершению работ.

Где применяются акселерометры.

В ходе исследования с помощью акселерометра можно провести частотный анализ полученных данных, необходимый для мониторинга зданий и сооружений – прибор позволяет определить дефекты конструкции и её элементов.

Более того, используя акселерометры, специалисты получают информацию об инерционной скорости объектов и определяют координаты. Как и гироскоп акселерометр — неотъемлемый компонент систем навигации и управления воздушных судов, ракет, а также кораблей и подлодок.

Также прибор может выполнять функции вибропреобразователя — измеряет виброускорение. Поэтому его используют в сейсмостанциях. Акселерометр в этом случае регистрирует подвижки грунта при землетрясениях. Кроме того, прибор может быть использован для измерения виброускорения движущихся частей машин и механизмов.

3 ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Акселерометры бывают разными. По принципу своей работы они отличаются:

По количеству осей (одна, две или три)
По типу выхода (аналоговые и цифровые)
По частотным диапазонам

Почему лучше использовать трёхосевой

Трёхосевой акселерометр показывает частоты, периоды и формы собственных колебаний зданий и сооружений. С его помощью можно анализировать ускорение, действующее в направлении трёх осей – в некоторых случаях это единственный способ получить необходимую информацию в полном объёме.

оптимальное решение!

СД-1Э — трехкоординатный акселерометр, предназначенный для мониторинга зданий и сооружений, плотин, мостов, нефтяных платформ и трубопроводов. У нас есть и готовые решения на базе СД-1Э: Акселерометр СД-1Э + АЦП Акселерометр СД-1Э + АЦП + Программное обеспечение

MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

“Хьюстон, у нас проблемы”, — устало раздалось в мозгу, пытающемся в ночи продраться сквозь Datasheet IMU MPU-9250 от InvenSense. Когда все слова в отдельности понятны, но взаимосвязь их запутана до невозможности. Началось всё с параметра LSB, про который я только смутно помнила, что в переводе это Least Significant Bit.

Дальше пошли “Resolution”, “Sensitivity”, а ещё дальше я поняла, что получающийся текст уже можно озаглавить “Datasheet для чайников”.

Немного об основных блоках инерционного модуля.

MEMS-гироскоп

MPU-9250 состоит из трёх независимых одноосных вибрационных датчиков угловой скорости (MEMS гироскопов), которые реагируют на вращение вокруг X-, Y-, Z- осей. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям. С появлением угловой скорости эффект Кориолиса вызывает изменение направления вибрации (, которое фиксируется емкостным датчиком. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения [Время Электроники]. Получившийся сигнал усиливается, демодулируется и фильтруется, давая в итоге напряжение, пропорциональное угловой скорости вращения. Данный сигнал оцифровывается с помощью встроенного в плату 16-битного АЦП. Скорость оцифровки (sample rate) может программно варьироваться от 3.9 до 8000 выборок в секунду (samples per second, SPS), а задаваемые пользователем фильтры низких частот (LPF) предоставляют широкий диапазон возможных частот среза.

ФНЧ нужен, в том числе, чтобы убирать вибрации от моторов (как правило, выше 20-25 Гц).

Трёхосевой MEMS-акселерометр

Использует для каждой оси отдельную пробную массу, которая смещается при возникновении ускорения вдоль данной оси (фиксируются емкостными датчиками). Архитектура MPU-9250 снижает подверженность температурному дрейфу и вариациям электропараметров. При расположении устройства на плоской поверхности оно измерит 0g по X- и Y-осям и +1g по Z-оси.
Масштабный коэффициент (scale factor — отношение изменения выходного сигнала к изменению выходного измеряемого сигнала) калибруется на заводе и не зависит от напряжения питания. Каждый сенсор снабжен индивидуальным сигма-дельта АЦП (состоит из модулятора и цифрового фильтра низких частот, подробнее про устройство в [Easyelectronics]), выходной цифровой сигнал которого имеет настраиваемый диапазон измерений.

И сразу про трёхосевой MEMS-магнетометр

Основан на высокоточной технологии эффекта Холла. Включает в себя магнитные сенсоры, определяющие напряжённость магнитного поля земли по осям, схему управления, цепь усиления сигнала и вычислительную схему для обработки сигналов с каждого датчика.

Каждый АЦП имеет разрешение 16 бит, диапазон измерений . Для измерения слабых магнитных полей применяют либо единицу в системе СИ микротесла (мкТл), либо гаусс (Гс, система СГС): , [Радиолоцман]).

Итак, что такое LSB и как его посчитать? Инструкция по добыче

Допустим, наш акселерометр сейчас работает в диапазоне измерений , то есть полный размах возможных значений будет . Соответствующие им значения напряжений оцифровываются 16-битным АЦП, который может разбить весь интервал максимально на ступеней. Минимальный инкремент, который можно засечь, — это как раз одна ступенька . Тут надо помнить, что счёт ведётся с нуля, так что на самом деле максимально измеряемое значение будет . То есть, чем больше бит в цифровом слове АЦП или ЦАП, тем меньше будет расхождение. При этом чувствительность (иногда называется масштабным коэффициентом, sensitivity scale factor) датчика на конкретном диапазоне будет определяться как соотношение электрического выходного сигнала и механического воздействия.

Традиционно указывается для частоты сигнала 100 Гц и температуры Для MPU-9250 чувствительность составляет ступеней на каждые g или (, ), для другого IMU, BMI088 от Bosch Sensortec, чувствительность гироскопа высчитывается так же, а для акселерометра используется ступеней на каждое g.

Варианты FS вытаскиваем из спецификации на гироскопы и, чтобы дважды не вставать, акселерометры.

FS для акселерометров я брала ещё и из документации на BMI088 (см. ниже).

Гироскоп, 16 бит		Акселерометр, 16 бит
Диапазон (FS), (dps)	LSB, (dps)	Диапазон (FS), g	LSB, mg
(FS = 250)	0,004	(FS = 4)	0,06
(FS = 500)	0,008	(FS = 6)	0,09
(FS = 1000)	0,0015	(FS = 8)	0,12
(FS = 2000)	0,03	(FS = 12)	0,18
(FS = 4000)	0,06	(FS = 16)	0,24
		(FS = 24)	0,37
		(FS = 32)	0,48
		(FS = 48)	0,73

Всё, вроде бы, встало на свои места, можно идти дальше.

В некоторых случаях (ниже, например, вырезка из документации на BMI088) отдельно указывается такой параметр, как разрешение (Resolution).

По факту, вроде бы, получается, что это должен быть LSB. Но почему тогда мы видим одно значение вместо нескольких, завязанных на конкретные диапазоны? Пришлось расширять список исследуемых источников в поисках ответов.

Что такое разрешение (Resolution)?

Минимальная величина, которую достоверно видит датчик, крайне важная при попытке соблюсти баланс между ценой и производительностью. Это не точность — сенсор с высоким разрешением может быть не особо точным, равно как и сенсор с малым разрешением в определённых областях может обладать достаточной точностью. К сожалению, LSB определяет лишь теоретическое минимально-различимое значение при условии, что мы можем использовать все 16 бит АЦП. Это разрешение в цифровом мире. В аналоговом какая-то часть ступеней будет зашумлена и число эффективных бит будет меньше.

Какие бывают характеристики шума и откуда что берётся?

Источники шума можно в общем разбить на электронный шум схемы, преобразующей движение в сигнал напряжения (джонсоновский тепловой шум, дробовой шум, розовый 1/f фликкер-шум и т.

д.), и тепловой механический (броуновский, обусловленный наличием мелких подвижных частей) от самого сенсора. Характеристики последнего будут зависеть от резонансной частоты механической части системы (собственной частоты колебаний сенсора ).

Среднеквадратичное значение шумов во всём спектральном диапазоне — Total RMS (Root mean square) Noise

Уровни шума можно определять несколькими способами. Можно рассматривать их во временной или частотной области (после преобразования Фурье). В первом случае берут остаточный шум как среднеквадратичное значение сигналов от неподвижного датчика (по факту это стандартное отклонение для выборки при ) за некоторый промежуток времени:

Ускорения или угловые скорости вращения меньше уровня широкополосного шума будут неразличимы — вот и фактическое разрешение. Среднеквадратичное значение переменного напряжения или тока (часто называется действующим или эффективным) равно величине постоянного сигнала, действие которого произведёт такую же работу в активной (резистивной) нагрузке за время периода.

Наиболее эффективен такой подход при оценке широкополосного шума, где доминирует белый шум.

Для белого шума отношение амплитуды (мгновенного пикового значения) к среднеквадратчному с вероятностью 99.9% составляет Называется такое отношение крест-фактором (crest factor, cross ratio). Можно выбрать вероятность 95.5% — крест фактор будет равен 4.

На деле же сигналы шума ведут себя не так хорошо и могут выдавать пики, увеличивающие крест-фактор до 10 раз. В некоторых спецификациях можно найти значения или сам множитель.

В узкой низкочастотной полосе 0.1-10 Гц основную роль играет фликкер-шум “1/f”, для оценки которого используют значение размаха шумового сигнала (peak-to-peak).

Спектральная плотность

Иногда сигнал удобнее рассматривать в частотной области, где его описание называется спектром (зависимость амплитуды и фазы от частоты). Одна из возможных характеристик шума в спецификациях зовётся power spectral density of noise (PSD), noise spectral density, noise power density, или попросту noise density).

Описывает распределение мощности шума по диапазону частот. Вне зависимости от представления электрического сигнала через ток или напряжение мгновенную рассеиваемую на нагрузке мощность можно нормировать (R = 1 Ом) и выразить её как Средняя мощность, рассеиваемая сигналом в течение промежутка времени

Мощность – скорость поступления энергии. Через энергию определяются детерминированные и непериодические сигналы. Периодические и случайные сигналы выражаются через мощность, поскольку они не ограничены по времени и, соответственно, энергии, при этом в любой момент времени их средняя мощность отлична от нуля

Можно вспомнить [Sklyar], что произвольный периодический сигнал выражается через комбинацию бесконечного числа гармоник с возрастающими частотами:

что после представления косинуса и синуса в экспоненциальной форме

и замены можно записать в виде

где комплексные коэффициенты (спектральные компоненты) ряда Фурье для ,

$$display$$\begin{equation} c_n = \frac{1}{T_0}\int^{T_0/2}_{-T_0/2} x(t)e^{-i n\omega t},dt = \begin{cases} \frac{1}{2}(a_n-ib_n), & n>0\\ \frac{a_0}{2}, & n=0\\ \frac{1}{2}(a_n + ib_n), & n<0 \end{cases} \end{equation}$$display$$

В общем случае эти коэффициенты представимы следующим образом:

Амплитудным и фазовым спектром называют графики зависимости и от частоты.

Спектральная плотность мощности периодического сигнала даёт распределение мощности сигнала по диапазону частот:

и имеет размерность Средняя нормированная мощность действительного сигнала будет

Непериодические случайные сигналы (в частности, шум) можно описать как периодические в предельном смыс

Акселерометр — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 18:00, 25 мая 2017.

Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Он призван помочь программному обеспечению смартфона определить положение, а также расстояние перемещения мобильного устройства в пространстве.
Часто этот датчик путают с гироскопом. Однако, это разные датчики, хотя взаимодополняют друг друга, и даже могут выполнять одни и те же функции. Их отличие заключается в принципе работы, а также в эффективности выполнении конкретных задач. Могут использоваться совместно, для достижения наиболее точных результатов.

Принцип работы

Схема акселерометра

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.

Когда происходит встряска, наклон или поворот объекта, в который встроен акселерометр, инертная масса реагирует на силу инерции. С увеличением интенсивности и силы наклона, поворота или сотрясения увеличивается радиус деформации пружины. Затем грузик принимает свою прежнюю позицию, благодаря пружине. Специальный датчик фиксирует уровень смещения инертной массы от ее положения в состоянии «покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал, и передаются на обработку электроникой, и программным обеспечением. Благодаря полученным данным программа может «вычислить» изменения в физических изменениях расположения объекта.
Еще есть такое понятие, как ось чувствительности прибора. Если ось только одна, датчик сможет передать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Чтобы увеличить чувствительность датчика, и получить точные данные о силе и направлении наклона объекта, необходимо две, а еще лучше три оси. Объединив в один прибор сразу три оси, можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.
^{[Источник 1]}

Акселерометр часто называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую строну повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра в телефоне: если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр не работает — перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. ^{[Источник 2]}

Применение

Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
Автомобильные спидометры и видеорегистраторы. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
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.
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.
На телефонах и планшетах:

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 шагомера.

Принцип работы в смартфонах

Схема конструкции

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе. 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.^{[Источник 3]}

Появления акселерометра в смартфонах

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни. Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone. Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.
Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра. За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью. Применяется он для разнообразных служебных приложений. Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.
Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр. ^{[Источник 4]}

Параметры

Масштабный коэффициент — коэффициент пропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом).
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. ^{[Источник 5]}

Акселерометр в условиях невесомости

В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению. Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать (не изменяется положение изображения при повороте корпуса).

Источники

↑ Что такое акселерометр в смартфоне // mobcompany.info URL: https://mobcompany.info/interesting/chto-takoe-akselerometr-v-smartfone-princip-ego-stroeniya-i-raboty.html (дата обращения 25.05.2017)
↑ Акселерометр // NIX URL: http://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer. html?id=190224 (дата обращения 25.05.2017)
↑ Как работает акселерометр в смартфонах и планшетах // itupdate.ru URL: http://itupdate.ru/devaysyi/smartfonyi/kak-rabotaet-akselerometr-v-smartfone-ili-planshete.html (дата обращения 25.05.2017)
↑ Акселерометр в телефоне // Geek Nose URL: http://geek-nose.com/akselerometr-v-telefone-chto-eto-princip-raboty-foto/ (дата обращения 25.05.2017)
↑ Акселерометр // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BA%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80 (дата обращения 25.05.2017)

микроэлектромеханические системы, часть 1 / Аналитика

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект — в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв. мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

Другие статьи серии:

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Принцип работы акселерометра

Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия

Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения.

Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста.

При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.

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

В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных.

Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.

Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота».

У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране:

В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.

Включение через настройки

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

Включение через верхнюю панель

Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения.

При наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.

Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:

Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox). Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность. Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.

Меню приложения

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

Работа приложения GPS Status & Toolbox

Сфера использования

В смартфонах акселерометр чаще всего используется для автоматической смены ориентации экрана при повороте устройства.

Также он нашел свое применение в системных жестах (таких как встряхивание), играх и навигационных приложениях, а также трекерах активности.

А самым большим и перспективным рынком для акселерометров, как это ни странно, является автомобильная промышленность.

Дело в том, что в автомобилях на работе акселерометра основывается большое количество систем безопасности: адаптивный круиз-контроль и подвеска, подушки безопасности, система стабилизации и многие другие.

При этом в данном случае речь идет не о чипе, используемом в смартфонах, а о полноценных приборах, чаще всего пьезоэлектрических.

В основе таких датчиков лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл.

Благодаря давлению он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение.

Также существует термальный акселерометр, архитектура которого предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, что и фиксируется датчиками, а затем используется для расчета ускорения.

Акселерометр в фитнес-браслете

Это датчик, помогающий измерить кажущееся ускорение объекта, к которому он прикреплен.

Под кажущимся ускорением понимают разницу между гравитационным, а также истинным ускорением.

Именно благодаря акселерометру, фитнес-браслет умеет подсчитывать количество шагов. Для этой цели в спортивный гаджет устанавливают трехкомпонентный датчик – это миниатюрное устройство, которое регистрирует ускорение по 3 осям координат.

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

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

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

Как работает, и как можно использовать

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

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

Как это работает?

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

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

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?

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

Носить телефон в руке для того, чтобы фиксировать все данные при движении, неудобно. К тому, же его нельзя брать с собой при занятиях плаванием. Фитнес браслет надежно крепится на руке и сопровождает своего владельца повсюду.
Чтобы использовать смартфон в качестве фитнес-браслета, потребуется постоянно держать его подключенным к интернету и другим приложениям. Фитнес-браслет достаточно синхронизировать с интернетом всего один раз в сутки.
Чтобы сохранить данные в телефоне также потребуется использование специальных программ. В браслете сохранение данных осуществляется автоматически без загрузки каких-либо дополнительных приложений.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

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

что это такое, как настроить и калибровать

Современные смартфоны и планшеты на ОС Android и других платформах, обеспечивают своим владельцам огромное количество возможностей, которые уже давно вышли за пределы обычного общения и интернет-сёрфинга. Для повышения функциональности гаджетов применяется множество дополнительных устройств – от такого приспособления как датчик приближения до акселерометра и гироскопа.

С их помощью удобнее разговаривать по мобильной связи, делать фото и даже играть. Некоторые функции таких датчиков похожи, но в основном они дополняют друг друга – поэтому установленный акселерометр в телефоне не исключает наличие в конструкции и гироскопа.

Принцип действия датчика

Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке характеристик смартфона, может заинтересовать, что это такое, как работает и выглядит. Ответить на эти вопросы несложно – устройство, получившее название от латинского слова «accelero» («ускоряю»), применяется для измерения кажущегося ускорения.

Определяя этот параметр, датчик помогает программному обеспечению контролировать положение телефона в пространстве и расстояние, на которое был перемещён мобильный гаджет.

Между тем, даже зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. На самом деле оба датчика могут измерять одни и те же величины, но полностью заменить друг друга не способны.

При этом гироскоп в телефоне необходим для определения угла поворота гаджета относительно определённой плоскости. А акселерометр требуется для контроля положения в пространстве путём измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджета получить более точные результаты.

Рис. 1. Один из примеров работы акселерометра.

Рассматривая действие акселерометра и что это такое по большому счёту, стоит познакомиться с принципом действия классического приспособления:

Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
Колебания груза подавляются демпфером.
При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
После возвращения массы на место под воздействием пружины уровень смещения относительно обычного положения фиксируется специальным датчиком.

Рис. 2. Конструкция стандартного акселерометра.

С другой стороны, ответ на вопрос по поводу акселерометра в телефоне – что это и как выглядит, будет немного отличаться. В данном случае он представляет собой миниатюрный элемент на плате с расположенной внутри инертной массой и выглядит обычно как маленький чёрный квадрат.

Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного – при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которому рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики стоят практически на любом виде мобильной техники – на телефоне или планшете.

Рис. 3. Внешний вид датчика для смартфона.

к оглавлению ↑

Применение устройства

Определившись с тем, что представляет собой акселерометр в телефоне, стоит узнать и как им пользоваться – для этого можно привести несколько примеров:

С помощью датчика осуществляется управление в играх – смена положения мобильного устройства вызывает определённые действия со стороны игрового персонажа или управляемого игроком транспортного средства. Так, например, наклоном телефона можно изменять направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.

Рис. 4. Игра Asphalt 8, управление в которой выполняется с помощью акселерометра.

Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для контроля пройденной дистанции. При этом определяется примерное количество сделанных шагов – и, хотя погрешность может быть довольно высокой (зависит от скорости движения), полученные результаты можно использовать для повышения результатов тренировки.

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

к оглавлению ↑

Включение и отключение датчика

В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.

Рис. 5. Включение через настройки.

Рис. 6. Включение через верхнюю панель.

Совет: 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.
к оглавлению ↑
Настройка и калибровка
Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При отсутствии акселерометра в телефоне, что говорит о бюджетной стоимости модели или её выпуске много лет назад, добавить эту функцию не получится ни перепрошивкой, ни изменением настроек.
Зато при наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.
Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:
1Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox).
2Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность.
3Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.
Рис. 7. Меню приложения.
На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.
Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.
к оглавлению ↑
Выводы
Зная, что такое акселерометр, можно сделать определённые выводы по поводу его наличия в современных мобильных устройствах. Наличие датчиков определения положения смартфонов и планшетов позволяет упростить просмотр на телефоне видео или чтение книг, а иногда даже помогает в игровом процессе.
Однако перед использованием акселерометра его иногда приходится настраивать. На это потребуется всего несколько минут и скачивание бесплатной утилиты.
Тематическое видео:
Принцип работы и применение датчика акселерометра.
Мы используем датчики вместе с нашими устройствами для мониторинга и контроля различных физических величин. Устройства взаимодействуют с окружающей средой с помощью датчиков. С появлением технологий сегодня у нас есть широкий выбор датчиков; как в аналоговой, так и в цифровой форме для измерения физических величин, таких как температура, давление, влажность, направление, сила света и т. д.. Одним из таких датчиков, используемых для измерения скорости и ускорения устройств, является датчик акселерометра.
Что такое датчик акселерометра?
Скорость изменения скорости тела во времени называется ускорением. Согласно относительной теории, в зависимости от относительного объекта, используемого для измерения ускорения, существует два типа ускорения. Собственное ускорение, которое представляет собой физическое ускорение тела относительно инерции или наблюдателя, находящегося в состоянии покоя относительно измеряемого объекта.
Координатное ускорение зависит от выбора системы координат и выбора наблюдателей. Это не означает правильное ускорение. Датчик акселерометра — это электромеханическое устройство, используемое для измерения правильного ускорения объекта.
Принцип работы
Основной принцип работы акселерометра — это сброс массы на пружину. Когда это устройство испытывает ускорение, масса перемещается до тех пор, пока пружина не сможет легко перемещать массу с той же скоростью, что и воспринимаемое ею ускорение. Затем это значение смещения используется для измерения ускорения.
ПьезоАкселерометр-датчик
Акселерометры выпускаются в виде цифровых и аналоговых устройств. Акселерометры конструируются с использованием разных методов. Пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные компоненты обычно используются для преобразования механического движения, вызываемого акселерометром, в электрический сигнал.
Пьезоэлектрические акселерометры состоят из монокристаллов. Они используют пьезоэлектрический эффект для измерения ускорения. При приложении к напряжению эти кристаллы генерируют напряжение, которое интерпретируется как определение скорости и ориентации.
В емкостных акселерометрах используется кремниевый элемент, обработанный на микрообработке. Здесь емкость создается при обнаружении ускорения, и эта емкость преобразуется в напряжение для измерения значений скорости.
Современные акселерометры представляют собой самые маленькие МЭМС, состоящие из консольной балки с испытательной массой. Акселерометры доступны в двух- и трехмерной формах для измерения скорости и ориентации. Когда требуются верхний частотный диапазон, высокотемпературный диапазон и небольшой вес в упаковке, пьезоэлектрические акселерометры являются лучшим выбором.
Приложения
Датчик акселерометра применяется следующим образом:
В инерциальных навигационных системах используются высокочувствительные акселерометры.
Для обнаружения и контроля вибрации во вращающемся оборудовании.
Для отображения изображений в вертикальном положении на экранах цифровых фотоаппаратов.
Для стабилизации полета дронов.
Акселерометры используются для определения ориентации, координат ускорения, вибрации, ударов.
Используется для определения положения устройства в портативных и мобильных устройствах.
Высокочастотная регистрация двухосного и трехосного ускорения в биологических приложениях для распознавания моделей поведения животных.
Мониторинг состояния оборудования.
Для обнаружения неисправностей ротаторных машин.
Они также используются для мониторинга зданий и сооружений для измерения движения и вибрации конструкции при воздействии динамических нагрузок.
Для измерения глубины сжатия грудной клетки при СЛР.
Навигационные системы используют датчики акселерометра для определения направления.
Устройства дистанционного зондирования также используют акселерометры для наблюдения за действующими вулканами.
Использование / примеры
Некоторыми примерами применения датчика акселерометра являются самолеты, ракеты, сеть Quake-Catcher для научных исследований землетрясений, насосы, вентиляторы, ролики, компрессоры, Zoll’s AED plus, ступни, интеллектуальные уплотнительные катки , система раскрытия подушек безопасности, электронная система контроля устойчивости в автомобилях, опрокидывающихся поездах, гравиметрия, видеокамеры, Glogger VS2, мобильные телефоны и т. д.
Да, в вашем смартфоне тоже есть акселерометр.Он используется вместе с гироскопом для измерения угла и ориентации телефона. Вы заметили, как работает датчик акселерометра в вашем смартфоне? Как это вам помогло?
Датчики ускорения — Sensor Technology
Acceleration Detectors.pptx
Contents
Знакомство с датчиками ускорения
Я работаю над своим последним годовым проектом, который включает использование Nitendo Wii Nunchuk.Wii Nunchuk работает на основе 3-осевого акселерометра, джойстика и двух кнопок. Я провел небольшое теоретическое исследование акселерометра, и на этой вики-странице я кратко объясню, что такое акселерометр, как он работает, типы акселерометров, характеристики акселерометров, как выбрать акселерометр для требований проекта и показывает некоторые применения акселерометров.
Физически ускорение — это векторная величина, имеющая как направление, так и величину, которая определяется как скорость, с которой объект меняет свою скорость во времени. Это мера того, насколько быстро меняется скорость. Объект ускоряется при изменении его скорости. [1. ] Для измерения ускорения используется датчик ускорения, называемый акселерометром. Акселерометр измеряет в граммах. A g — это ускорение свободного падения, равное 9,81 м / с². Однако, в зависимости от высоты, в некоторых местах это измерение может составлять 10 м / с².
Принцип работы акселерометра
Конструкция акселерометра основана на применении физических явлений.В авиации акселерометры основаны на свойствах вращающихся масс. Однако в мире промышленности конструкция основана на сочетании закона ускорения массы Ньютона и закона действия пружины Гука. Это наиболее распространенная конструкция, применяемая при изготовлении акселерометров, и поэтому на этой странице вики я сосредоточусь на объяснении принципа работы акселерометра, основанного на этой комбинации закона Ньютона и закона Гука. На рисунке 1 показана упрощенная система пружина-масса. На рисунке 1а масса массы m прикреплена к пружине в положении равновесия x0, которая, в свою очередь, прикреплена к основанию. Масса может свободно скользить по основанию. Предположим, что базовое трение незначительно. На рисунке 1b показано, как масса перемещается вправо за счет смещения Δx = x — x0. Поскольку масса замедляется, вектор ускорения направлен влево. В этом случае на массу действует сила в соответствии со вторым законом Ньютона и законом Гука.

Рис. 1. Акселерометр с упрощенной системой пружина-масса. [2]
Перепечатано из книги «Технологии контрольно-измерительной аппаратуры»
Согласно второму закону Ньютона, если масса m подвергается ускорению a, тогда должна существовать сила F, действующая на массу величиной

Закон Гука гласит, что если пружина жесткости пружины k выдвигается из ее положения равновесия () на расстояние
x является текущим положением по отношению к Тогда на пружину должна действовать сила. дается формулой
Приравнивая уравнения (1) и (2), получаем

где k — жесткость пружины в Н / м
Δx — смещение в м
м — масса в кг
a — ускорение в м / с²
Уравнение (3) показывает измерение ускорения в зависимости от массы, жесткости пружины и растяжения пружины. Это эквивалентно линейному уравнению y = λ x, где y представляет собой ускорение a, λ = k / m является постоянной величиной, а x представляет собой смещение массы. На этом основана конструкция акселерометра. Конструкция и типы акселерометров, основанные на системе пружина-масса, различаются способом измерения смещения, и это обсуждается в разделе 3 этой вики-страницы.
Характеристики акселерометров на основе пружинной массы
Уравнение (3) в результате анализа, показанного на рисунках 1 и b, остается верным при предположении, что к массе m не применяется трение.На практике необходимо учитывать и другие параметры, такие как собственная частота и коэффициент демпфирования, поскольку они оказывают сильное влияние на применение акселерометров.
Система масса-пружина демонстрирует колебания с некоторой характеристической собственной частотой. Эту собственную частоту дает
Принцип работы датчика вибрации акселерометра — Инструментальные средства
Гостевые статьи Измерение вибрации
На простом языке мы говорим, что вибрация — это движение или механическое колебание относительно положения равновесия машины или компонента. Вибрация является побочным продуктом другой полезной операции, и ее очень трудно избежать.
Единица измерения вибрации (м / с2) или единица гравитационной постоянной «g», где 1 g = 9,81 м / с2. Вибрация измеряется двух типов: непрерывное измерение критической машины и периодическое измерение машины после выбранного интервала.
Зачем нужно измерять вибрацию:
Ниже приведены причины для измерения вибрации
Для проверки работоспособности критически важной машины (например, компрессора).Анализируя тенденции вибрации, мы можем определить работоспособность критически важной машины.
Структурный анализ.
Здесь мы обсуждали измерение вибрации акселерометра.
Датчик вибрации акселерометрического типа:
Вибрационный зонд акселерометрического типа работает на пьезоэлектрическом эффекте. Ускорение коробки передач передается сейсмической массе внутри акселерометра, которая создает пропорциональную силу на пьезоэлектрическом кристалле.
Затем пьезокристалл генерирует электрический заряд (мВ), который пропорционален приложенной силе.Это МВ передается на передатчик, а затем передатчик усиливает это МВ, преобразует в 4-20 мА и отправляет на контроллер / дисплей.
Также читайте: Испытания вибрационных датчиков Bently Nevada
Точка выбора лучшего акселерометра:
На основании монтажа
Диапазон измерения вибрации
Чувствительность: это очень важный момент, о котором следует помнить. Чувствительность — это взаимосвязь между вибрацией и напряжением, создаваемым акселерометром при эталонной чувствительности, определяемой мВ / G.Предположим, вибрационный зонд с чувствительностью 5 мВ / G, тогда его средство при 1 грамме заставляет его производить 5 мВ.
Проверка датчика:
Проверьте сопротивление зонда, оно должно находиться в диапазоне от килоомов до мегаомов, или обратитесь к руководству продавца.

Что такое акселерометр и как он работает

Устройство трехосевого акселерометра

Основные характеристики акселерометров

Отличия акселерометра от гироскопа

Применение акселерометров в различных устройствах

Как работает акселерометр в смартфоне

Перспективы развития технологии акселерометров

Что такое трёхосный акселерометр.

3 ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

оптимальное решение!

MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

MEMS-гироскоп

Трёхосевой MEMS-акселерометр

И сразу про трёхосевой MEMS-магнетометр

Итак, что такое LSB и как его посчитать? Инструкция по добыче

Что такое разрешение (Resolution)?

Какие бывают характеристики шума и откуда что берётся?

Среднеквадратичное значение шумов во всём спектральном диапазоне — Total RMS (Root mean square) Noise

Спектральная плотность

Акселерометр — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана

Принцип работы

Применение

Принцип работы в смартфонах

Появления акселерометра в смартфонах

Параметры

Акселерометр в условиях невесомости

Источники

микроэлектромеханические системы, часть 1 / Аналитика

Принцип работы акселерометра

Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия

Сфера использования

Акселерометр в фитнес-браслете

Как работает, и как можно использовать

Как это работает?

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?

что это такое, как настроить и калибровать

Принцип действия датчика

Применение устройства

Включение и отключение датчика

Настройка и калибровка

Выводы

Принцип работы и применение датчика акселерометра.<img src='/800/600/https/os.mbed.com/media/uploads/Esbp10/ejes_mpu6050.jpg' />

Что такое датчик акселерометра?

Принцип работы

Приложения

Использование / примеры

Датчики ускорения — Sensor Technology

Contents

Знакомство с датчиками ускорения

Принцип работы акселерометра

Характеристики акселерометров на основе пружинной массы

Принцип работы датчика вибрации акселерометра — Инструментальные средства

Зачем нужно измерять вибрацию:

Датчик вибрации акселерометрического типа:

Точка выбора лучшего акселерометра:

Проверка датчика:

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ

Принцип работы и применение датчика акселерометра.