Акселерометр, что это такое? Обзор работы полезного датчика

Акселерометр - небольшой электронный прибор, который измеряет ускорение движения и статическое ускорение силы тяжести. Он позволяет определить, в каком положении находится устройство, куда и как быстро оно движется. Современные гаджеты просто невозможно представить без акселерометров.

Этот компактный датчик используется в смартфонах, планшетах, фитнес-браслетах, часах, игровых контроллерах и многих других устройствах. Он отвечает за автоповорот экрана, подсчет шагов, распознавание жестов, управление в играх. Кроме того, акселерометры применяют в автомобильной, авиационной и космической промышленности.

Акселерометр - что это такое и как работает

Акселерометр — это электронный датчик, который измеряет ускорение движения объекта в пространстве по одной, двум или трем осям. Он фиксирует линейные и угловые ускорения при наклонах, поворотах, тряске и ударах. Акселерометры бывают проволочные, пьезоэлектрические, емкостные и тепловые. Наиболее распространены микроэлектромеханические MEMS-акселерометры.

MEMS-акселерометр состоит из неподвижной рамки и подвижной массы, соединенной с рамкой пружинками или балками. Под действием силы инерции при ускорении подвижная масса смещается относительно рамки, сжимая или растягивая пружинки. Это движение преобразуется в электрический сигнал с помощью емкостных, пьезорезистивных, пьезоэлектрических или термоэлектрических датчиков.

• Емкостные MEMS-акселерометры имеют неподвижные и подвижные электроды. При смещении подвижной массы меняется расстояние между электродами и, соответственно, емкость конденсатора.
• В пьезорезистивных датчиках смещение подвижной массы вызывает деформацию пьезорезисторов и изменение их сопротивления.

Полученный электрический сигнал обрабатывается электронными схемами акселерометра, которые определяют величину и направление ускорения. Так датчик акселерометр преобразует механическое движение в цифровые данные об ускорении по осям.

Типы акселерометров

Существует несколько основных типов акселерометров. Они различаются принципом действия и конструкцией. Выбор типа зависит от требуемой точности измерений, условий эксплуатации и стоимости:

• Проволочные акселерометры. В проволочных или тензометрических акселерометрах в качестве чувствительного элемента используется натянутая металлическая проволока. Под действием инерционных сил при ускорении проволока деформируется, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. Этот тип достаточно прост и надежен, но имеет низкую чувствительность.
• Пьезоэлектрические акселерометры. В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект — способность некоторых материалов (кварца, турмалина, титаната бария и др.) генерировать электрический заряд при механическом воздействии. Пьезоэлементы испытывают деформацию при ускорении объекта и вырабатывают ток, пропорциональный ускорению.
• Емкостные акселерометры. В емкостных акселерометрах в качестве чувствительного элемента служит конденсатор с подвижными обкладками. При ускорении подвижная обкладка смещается и изменяет емкость конденсатора, что регистрируется электронной схемой. Такие акселерометры компактны и чувствительны.
• Тепловые акселерометры. В тепловых или конвекционных акселерометрах используется зависимость теплопередачи от ускорения. Нагретый чувствительный элемент вызывает нагрев датчиков температуры. При ускорении изменяется теплоотдача от чувствительного элемента и соответственно показания датчиков.
• Микромеханические акселерометры (MEMS). MEMS-акселерометры изготавливаются методами микроэлектроники и представляют собой миниатюрные микросхемы. В их основе лежат микроскопические подвижные элементы, соединенные с неподвижным кремниевым основанием упругими балками. Эти датчики отличаются высокой чувствительностью, малыми размерами и низкой стоимостью.
• Волоконно-оптические акселерометры. Волоконно-оптические акселерометры не имеют подвижных частей. Ускорение регистрируется по изменению характеристик проходящего по волокну света. Такие датчики обладают высокой чувствительностью и инерционностью.
• Лазерные акселерометры. В лазерных акселерометрах ускорение определяется по смещению луча лазера, отраженного от свободно подвешенного зеркала. Этот метод позволяет создавать акселерометры с чрезвычайно высокой чувствительностью для точных научных измерений.
• Ядерные магнитные резонансные акселерометры. ЯМР-акселерометры используют эффект ядерного магнитного резонанса. Под действием ускорения смещаются атомные ядра вещества, помещенного в магнитное поле, что регистрируется по изменению частоты их прецессии. Такие приборы применяются для высокоточных измерений в научных экспериментах.
• Акселерометры по числу измерительных осей. По числу измерительных осей акселерометры делятся на одноосевые, двухосевые и трехосевые. Одноосевые измеряют ускорение только вдоль одного направления. Двух- и трехосевые позволяют определить проекции ускорения на две или три взаимно перпендикулярные оси.

Существует множество конструкций акселерометра, основанных на различных физических принципах. Выбор конкретного типа зависит от требований к характеристикам и условиям применения.

Акселерометр в смартфонах и гаджетах

Акселерометры стали присутствовать во всех современных смартфонах и «умных» гаджетах, начиная с 2006 года, когда первый такой датчик появился в телефоне Nokia 5500 и выполнял роль шагомера в спортивном режиме. Однако именно благодаря iPhone акселерометры стали распространенным стандартом в мобильных устройствах:

• В смартфонах акселерометр отвечает за автоматический поворот экрана при изменении ориентации корпуса.
• В телефонах и планшетах датчик также задействуют для масштабирования веб-страниц при наклоне устройства, реагирования на удары и встряхивания, активации автопарковки жесткого диска при падении гаджета.

Фитнес-браслетам и «умным» часам акселерометр необходим для подсчета шагов, мониторинга сна и положения тела владельца, а также для включения экрана при повороте запястья.

Акселерометр измеряет силу ускорения и определяет направление, степень и скорость отклонения устройства в пространстве. Благодаря этому «умные» гаджеты фиксируют изменение положения устройства и физическую активность пользователя.

Применение акселерометров в промышленности

Акселерометры широко применяются в разных отраслях промышленности для измерения механического движения и ударных нагрузок. Акселерометр - это датчик, фиксирующий ускорение движения объекта вдоль одной или нескольких осей:

• В авиационной, ракетно-космической и судостроительной отраслях акселерометры вместе с гироскопами являются важными компонентами навигационных и управляющих систем. Они обеспечивают ориентирование и расчет координат объектов по их ускорению.
• В строительстве и на производственных предприятиях датчики задействуют для проверки устойчивости конструкций и оборудования при вибрационных нагрузках.
• Компьютерные жесткие диски оборудуются акселерометрами, чтобы при резких движениях или падении они активировали механизмы защиты головок от повреждений.

Акселерометры встраивают не только в мобильную, но и в бытовую технику. Например, в стиральных машинах, утюгах, тепловентиляторах они отслеживают вибрации и срабатывают при нештатных ситуациях. В утюгах датчик отключает питание при падении, предотвращая риск возгорания.

В игровых контроллерах и приставках акселерометры позволяют управлять играми без кнопок, реагируя на наклоны и движения устройства в пространстве. А в автомобильных видеорегистраторах они фиксируют ускорения и замедления машины, а также помогают обнаруживать вождение в риске, например, игнорирование знаков «Стоп».

Акселерометры в медицине и науке

Акселерометр - что это? Это датчик, измеряющий ускорение движения, а значит, и изменение положения тела в пространстве. Эту способность широко применяют в медицинских целях и научных исследованиях.

• Акселерометры встраивают в носимые устройства для пожилых людей, чтобы распознавать падения и автоматически вызывать экстренные службы при угрозе жизни.
• Датчики также используют для контроля правильной установки медицинских сенсоров на теле пациента, чтобы обеспечить точные показания.
• В перспективе «умную» ткань медицинских изделий тоже будут оснащать миниатюрными акселерометрами для отслеживания износа компрессионных чулок, бандажей и т.п.

В научных исследованиях акселерометры помогают изучать двигательную активность. Например, расположение датчиков на лодыжках у больных рассеянным склерозом дает наиболее точные данные для анализа их передвижений.

Пока использование обычных фитнес-браслетов для медицинского мониторинга затруднено из-за недостаточной точности. Но акселерометры в составе многофункциональных гаджетов видят перспективным элементом экосистемы удаленного наблюдения за пациентами.

Перспективы развития акселерометров

Акселерометр - это датчик движения на основе инерциальных сил, и его развитие неразрывно связано с совершенствованием других инерциальных систем навигации и мониторинга. Ожидается, что в ближайшие годы произойдет значительный скачок в миниатюризации акселерометров:

• С уменьшением размеров чувствительных элементов акселерометров и повышением точности их показаний станет возможным встраивание датчиков практически в любые гаджеты и носимые устройства.
• Разработаны акселерометры на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), чья погрешность составляет всего 3-5%, а ресурс достигает 10 лет работы.
• Развиваются специализированные радиочастотные МЭМС-акселерометры, способные измерять угол наклона с высокой точностью (0,01 градуса) для задач навигации и стабилизации различных объектов.

Параллельно идет создание систем на основе 5-6-осевых комбинированных датчиков. Они совмещают в себе акселерометр, гироскоп, магнитометр и другие сенсоры для более полного охвата параметров движения, ориентации и положения объектов в пространстве.

С появлением гибких электронных схем на основе органических полупроводников формируется концепция больших акселерометров, распределенных на обширных площадях и способных фиксировать малейшие изменения механической нагрузки, вибраций и прогибов.