Когда был изобретен первый акселерометр. Что такое акселерометр в смартфоне

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.

Благодаря развитию технического прогресса у людей появилась возможность использовать достаточно большой набор инструментов, при этом нося с собой только один смартфон. Однако есть маленькая деталь, без которой использование данного устройства было бы не так удобно - акселерометр. Что это такое и почему он так важен?

Определение и история

Основной функцией данного прибора является измерение ускорения наземного транспорта, летательных аппаратов, ракет и другой техники. Впервые он появился в конце XIX века. Устройство устанавливали на поезда и автомобили, чтобы иметь возможность отслеживать скорость, с которой они передвигаются.

Шкала отображала все возможные и максимально допустимые значения для конкретного вида транспорта. Такое строение позволяло предотвратить превышение скоростного режима и не допустить разрушения двигателя. Но был у этого помощника и один недостаток. Что это? Акселерометр был крайне громоздким. Так что впоследствии конструкция все время изменялась.

В Россию первые такие устройства попали уже в комплекте автомобилей Ford и Mercedes-Benz. Также они шли вместе с паровозами, произведенными в Германии. Была лишь одна проблема. Она заключалась в том, что эти акселерометры не выдерживали холодный климат. А потому предприятиям транспортного машиностроения России пришлось разрабатывать собственные модели.

Разновидности

Различают следующие разновидности акселерометров:

Емкостный. Отслеживает изменение емкости между статическим состоянием и динамическим.
Пьезоэлектрический. Устройство работает за счет одноименного эффекта (в зависимости от давления на кристаллы, появляется электрический потенциал).
Пьезорезистивный. Измеряет электрическое сопротивление в зависимости от приложенного механического давления.
Устройство с эффектом Холла. Замеряет изменения в напряжении, происходящие по причине перемен в магнитном поле вокруг самого прибора.
Магнитно-резисторный. Фиксирует изменения в магнитном поле. В отличие от предыдущего измеряет сопротивление.
Прибор теплопередачи. В зависимости от ускорения измеряет перемены в теплоотдаче.

Новое время

На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.

Мобильная индустрия

Выше уже было сказано о том, что акселерометр - это устройство, позволяющее измерять и регулировать изменение скорости передвижения транспорта. Тем не менее сегодня его можно встретить и в сотовых телефонах.

Первое устройство

Первым мобильным устройством, получившим акселерометр, стал Nokia 5500. В столь маленьком корпусе не было возможности использовать устройство в его оригинальной форме. В силу этого было решено использовать миниатюрный чип. Внутри него находилась инертная масса. Возникает резонный вопрос: какую функцию выполнял первый акселерометр в телефоне. Что это было? То же, что крайне популярно сейчас в различных фитнес-браслетах и прочих устройствах - шагомер.

Как это работает

Общий алгоритм работы не слишком отличается от изначального прибора. Чип встраивался по принципу неподвижной конструкции с прикрепленными проводниками. Находящаяся внутри инертная масса, подвергаясь ускорению, изменяет свое местонахождение в пространстве. Благодаря этому сдвигу устройство получает данные обо всех изменениях местоположения. Отходящие от устройства проводники находились между контактами, снимающими показания счетчика.

По причине крайне малого размера всех деталей чипа производство деталей производится без вмешательства человека - только автоматизированные конвейеры.

Стоит отметить, что акселерометр в смартфоне - это деталь, позволяющая сохранять важные данные. К примеру, при нахождении устройства в полете (падение или перекидывание) прибор определяет это состояние и отдает команду о блокировке самых хрупких деталей, отвечающих за запись данных. Например, так происходит с записывающей головкой жесткого диска ноутбука.

Однако в современных гаджетах можно встретить не только акселерометр, но и гироскоп.

Что такое гироскоп?

На фото выше можно увидеть роторный гироскоп. Это устройство, реагирующее на изменение угла наклона относительно поверхности Земли. Самый простой пример - юла. Оно было изобретено в 1817 году. Его преимуществом стала возможность работы в достаточно плохих условиях, таких как:

низкий уровень видимости;
наличие электромагнитных помех;
тряска поверхности и многие другие.

Разновидности

На данный момент различают две основных категории данных устройств.

По степени свободы:

двухстепенной;
трехстепенной.

По принципу действия:

оптический;
механический.

Первое появление в мобильной индустрии

Самым первым представителем этой сферы, получившим гироскопический датчик, стал смартфон от компании Apple - iPhone 4. Эта функция позволила изменять ориентацию телефона с книжной на альбомную, в зависимости от его положения в пространстве.

Подобное нововведение было крайне популярно среди покупателей, а потому другие фирмы-производители мобильных устройств достаточно быстро подхватили идею, начав установку данного элемента в собственные телефоны. Стоит отметить, что все последующие модели iPhone на обязательной основе включали в себя эту функцию.

Однако устройства на платформе Android не всегда обладают гироскопическим датчиком. Потому перед тем как приобрести устройство с данной операционной системой, стоит справиться о наличии гироскопа в устройстве. Это можно сделать:

найдя список характеристик в Интернете;
спросить у консультанта в магазине.

Предпочтительно первое, так как не всегда консультанты осведомлены об особенностях той или иной модели смартфона.

Как определить наличие гироскопического датчика в устройстве?

Как было сказано выше, можно ознакомиться с характеристиками телефона на сайте производителя или магазина, занимающегося его продажей. Чаще всего наличие данного элемента указывается в обязательном порядке.

Еще один вариант - проверка на видео, работающем в 360 градусов. Если при его просмотре есть функция поворота изображения в любом допустимом направлении - значит, датчик присутствует.

И последний вариант - проверка приложением AnTuTu Benchmark. Оно проводит полную диагностику смартфона и в обязательном порядке указывает наличие данного компонента.

Калибровка акселерометра телефона

Наличие такого элемента в современном смартфоне крайне важно. Оно позволяет устройству выполнять ряд крайне важных функций:

поворот дисплея;
выполнение действий при встряхивании экрана;
обеспечение работы шагомера;
демонстрация настоящего положения в пространстве.

Далее будет приведен пример того, как откалибровать акселерометр Xiaomi. Данная инструкция подойдет как для мобильных устройств данного производителя, так и для многих других смартфонов на платформе Android. Она достаточно проста и не требует много времени и знаний о работе с функциями телефона. Для запуска калибровки экрана необходимо выполнить следующую последовательность действий:

выбрать меню «настройки»;
перейти в пункт «дисплей»;
нажать на функцию «калибровка акселерометра». Далее она сама проведет настройку правильного отображения изображения на экране в различных положениях.

Итоги

Несмотря на то, что акселерометр и гироскоп появились как устройства для применения в сфере машиностроения, сегодня ни один смартфон не может считаться полноценным, если эти компоненты отсутствуют. Указанные выше функции делают его использование максимально комфортным. Поэтому перед приобретением телефона обязательно убедитесь в их наличии среди списка его основных характеристик.

Еще несколько лет назад мы и представить не могли, что существуют игры на смартфонах, где управление осуществляется с помощью поворота самого устройства! Сейчас таких игр — великое множество в онлайн-магазинах мобильных приложений, а тогда это казалось чем-то невероятным.

Хотите пример? Это могут быть, скажем, различные автомобильные гонки, которые управляются при помощи отклонения смартфона или планшета в разные стороны, при этом автомобиль поворачивает. Одной из самых известных подобных игр является Asphalt 8:

Внимание, вопрос! Как это возможно? Ответ: это стало возможно благодаря акселерометру.

Что такое акселерометр и как он работает?

Акселерометр — это прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр позволяет фиксировать даже незначительные изменения ускорения в зависимости от его положения в пространстве.

В смартфоне или планшете акселерометр представляет из себя крайне небольшую деталь, зачастую — чуть больше спичечной головки. Несмотря на это, свои действия он выполняет как и положено.

Где применяется акселерометр?

Как было сказано выше, устройство используется в смартфонах и планшетах. При этом в них его начали устанавливать относительно недавно — вместе с появлением смартфона iPhone, а уже после он начал устанавливаться и в другие мобильные устройства.

Кроме того, акселерометр используется:

В промышленной авиации, где является неотъемлемой частью систем навигации, а также управления летательными аппаратами.

В промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

В системах управления жестких дисков для активации механизма защиты от повреждений. При ускорении (например, при падении жесткого диска) система «паркует» головки винчестера, тем самым предотвращая их повреждение, а также повреждение данных.

В видеорегистраторах. Здесь акселерометр позволяет различать важные события: резкое ускорение или торможение, столкновение и т.п.

В игровых приставках, а если быть точным — в устройствах управления игровыми приставками. Джойстик может даже не иметь кнопок и управление происходит с помощью его поворотов в пространстве, потряхиваний и т.д.

Зачем нужен акселерометр в смартфоне?

В настоящее время акселерометр используется в смартфонах и планшетах как для нужд операционной системы, так и для работы некоторых приложений, включая игры.

Что касается операционной системы, то благодаря акселерометру происходит поворот экрана на устройстве, когда мы его переворачиваем.

Про игры было сказано чуть выше. Помимо гонок, акселерометр активно используется в казуалках и даже шутерах.

Словом, акселерометр — крайне важный компонент современной мобильной техники, в чем вы только что убедились.

Акселерометр – достаточно сложный механизм, но суть его работы понимать не нужно. Это устройство в телефоне для измерения гравитационного ускорения. В телефоне эта штука используется для определения положения смартфона относительно его оси. То есть благодаря акселерометру система понимает, в каком положении находится смартфон – в горизонтальном или вертикальном.

Возьмите любой современный смартфон и переверните его на 90 градусов. Акселерометр поймет это определит, и изображение на экране тоже перевернется на 90 градусов относительно осей X и Y. Также акселерометр может использоваться разными программами. Например, в PlayMarket и AppStore есть программы измерения количества пройденных шагов. Подсчет ведется на основе данных, собранных акселерометром. Небольшая вибрация этого датчика с определенными параметрами равна одному шагу человеку. Приблизительно так думает программа и подсчитает число шагов, которые делает человек в течение суток.

Некоторые телефоны можно трясти, и от этого будет происходить то или иное действие. Например, можно запрограммировать систему, чтобы она при встряхивании открывала приложение “Камера”. Акселерометр легко понимает встряхивание, и система запускает приложение. Правда, это можно делать в телефонах, где предусмотрен функционал для программирования действий.

Многие современные игры основаны на использовании акселерометра. Популярные гонки, в которых телефон нужно наклонять для движения машины вправо или влево, обязательно задействуют акселерометр. В общем, пользу этого датчика внутри смартфона переоценить сложно. Это удобная и универсальная штука, которая сегодня есть даже в дешевых смартфонах.

Современные технологии сильно облегчают жизнь, и если ранее смартфон позволял просто звонить, то сегодня благодаря акселерометру его функционал намного расширился. А вообще, сегодня такой датчик как акселерометр является устаревшим. Это что-то типа простой шариковой ручки, которой никого не удивишь, но без которой не обойтись в современном мире.

Пожалуйста, оцените статью:

Термин «акселерометр» произошел от латинского accelero, что в переводе означает «ускоряю». Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Другими словами, 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.

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

Автоматическая смена ориентации экрана при повороте девайса.
Управление игровым процессом при помощи наклонов.
Реагирование устройства на определенные жесты, и выполнение соответствующих действий (смена музыкального трека, отключение будильника или отклонение звонка). Примеры жестов: постукивание по корпусу или его встряхивание, переворот смартфона экраном вниз.
Определение и визуальная демонстрация изменений положения человека в пространстве через навигационные приложения (Google Карты и др.).
Возможность отслеживания физической активности. Классический пример – подсчет пройденной дистанции при помощи шагометра.

Как работает акселерометр, принцип его строения

На картинке ниже изображена схематическая конструкция самого простого акселерометра.

Он состоит из инертной массы (в данном примере ее роль выполняет грузик), который прикреплен к подвижному, упругому элементу (например, к пружине). Пружина, в свою очередь, фиксируется на неподвижной детали. Для подавления колебаний грузика используется демпфер. 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.

Акселерометр в смартфонах

По техническим и иным причинам описанная выше конструкция датчика неприменима в мобильных устройствах. Она заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.

Принцип действия чипа схож с классическим датчиком: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Благодаря этому смартфон и получает данные о положении в пространстве. Но между классическими приборами и чипами существует огромная разница не только в конструкции, но и в методе производства.

Изготовление подобных датчиков – полностью автоматизированный процесс. Чтобы получить рабочий экземпляр, используется химическая реакция между силиконом и другими элементами. Процесс требует высочайшей точности в расчетах и пропорциях. Вручную, при помощи физического воздействия на материалы сделать это фактически невозможно.

Вывод

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