Акселерометр: что это, как работает и для чего нужен. Акселерометр в телефоне: что это такое

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

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

А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.

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

Что же собой представляет это устройство?

Суть понятия «акселерометр»

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

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

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

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

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

Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:

1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
2. Автомобильные спидометры и также используют акселерометры. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения.
   Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска. В эту же категорию можно отнести и акселерометры на телефонах и .

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

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

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.

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

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

Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:

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

Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.

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

Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.

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

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

Узнайте все об акселерометре. Что он делает в вашем телефоне?

Даже не работая в оборонной промышленности, можно иметь общее представление об акселерометре: что это, как он работает и какими параметрами обладает. Ведь эти устройства применяются в современной оргтехнике: ноутбуках, планшетах и телефонах. Задумывались ли вы, почему ваш телефон легко определяет, где верх, а где низ, когда вы его крутите? Это акселерометр позволяет технике «сориентироваться» в пространстве.

Общие сведения

Акселерометр измеряет проекцию кажущегося ускорения. Благодаря ему можно узнать разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением свободного падения.

Основная классификация акселерометров ведётся по числу задействованных осей. Соответственно, можно выделить одноосевые, двухосевые и трёхосевые приборы. Число осей также называют числом компонентов. От этого параметра зависит, по какому числу координат акселерометр сможет измерить ускорение.

Многие акселерометры совмещены с системой обработки данных, что позволяет создавать полноценные датчики. Ведь что такое акселерометр? Это измерительный прибор. Совместите его с компьютером, и вычислительная система готова!

Применение акселерометров

Акселерометры активно используются при проектировании навигационных систем, наряду с гироскопами. Они являются неотъемлемым элементом конструкции современных летательных аппаратов: самолётов, вертолётов, ракет, беспилотников.

В компьютерной технике акселерометры стали элементами жёстких дисков, предотвращая вибрации и повреждения. Получив сигнал об изменении положения в пространстве, прибор отдаёт команду на парковку головок винчестера, чтобы предотвратить царапины. Здесь следует упомянуть о том, что такое G-сенсор. Во многом он похож на акселерометр и действует по тому же принципу. Однако компактный размер и функциональные особенности позволили встраивать такой сенсор в чувствительную технику: автомобильные регистраторы, планшетные компьютеры, коммуникаторы и так далее.

Сенсор «умеет» различать резкую остановку, поворот, столкновение, вращение и другие смены положения. Это используется как для защиты техники от повреждений, так и для различных программ и игр, которые задействуют положение устройства в пространстве. Несколько лет назад прототипы современных G-сенсоров уже использовались в игровых приставках. Сегодня акселерометр в планшете может использоваться как для игр, так и для серьёзных программ, а в телефоне такой сенсор позволяет определять, какой стороной развернуть экран, чтобы пользователю было удобнее работать и набирать текст.

Как нетрудно догадаться, в условиях невесомости акселерометр или G-сенсор работать не смогут, поэтому они окажутся совершенно бесполезны и никак не повлияют на устройство, в которое встроены.

Характеристики акселерометров

Основные характеристики, которыми обладают акселерометры, влияют на их функциональность и, соответственно, на область их применения. Ключевые параметры – это:

• разрешение (пороговая чувствительность) – так называют минимальное изменение линейной величины, которое может зафиксировать прибор;
• смещение нуля – показания прибора при кажущемся нулевом ускорении;
• случайное блуждание – величина погрешности, выражаемая через среднее отклонение от смещения нуля;
• нелинейность – изменение, которое произойдёт с зависимостью между выходным сигналом и кажущимся ускорением, если кажущееся ускорение изменится.

Следует учитывать все эти параметры при выборе любого акселерометра, а также по возможности интересоваться ими при покупке техники, которая содержит G-сенсор. Вопреки стереотипу, это не будет излишней дотошностью. Вы сможете выбрать устройство, которое не будет «глючить» от случайных толчков и которое всегда будет верно определять своё положение в пространстве. Особенно актуально это для акселерометра в телефоне, ведь телефонам приходится быстро и чётко определять своё положение.

Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, этот прибор можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом пружинами. Смещение тела относительно центра оси можно измерить с помощью механической стрелки, как показано на рисунке.

В состоянии покоя тело находится на равном удалении от стенок прибора и стрелка указывает на середину шкалы. Если весь прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по оси влево до момента, когда сила растянутой пружины уравновесит внешнюю силу. В этот момент, стрелка повернется и укажет на некоторое значение на шкале. Чем больше внешняя сила, тем дальше смещается груз, тем большее значение показывает стрелка. Когда сила перестанет действовать на тело, груз вернется на прежнее положение и прибор покажет на нулевое значение шкалы.

1. Электронный МЭМС-акселерометр

Разумеется, внешний вид современного акселерометра отличается от этой простой модели с пружинками, но не сильно. Как и прежде, для измерения ускорения нам требуется какое-то массивное тело, которое будет скользить по направляющей и удерживаться в нейтральном положении пружинками. При этом, всё это должно быть очень миниатюрным, чтобы поместиться в тот же смартфон.

На помощь приходит технология МЭМС (микроэлектромеханические системы). С помощью МЭМС удаётся выращивать механический акселерометр на кремниевой подложке таким же методом, которым создаются и обычные микросхемы.

Так выглядит МЭМС акселерометр на снимке, полученном при помощи микроскопа. Схема работы такого прибора представлена ниже.

Чтобы измерить смещение массивного тела вдоль оси прибора здесь применяется дифференциальный конденсатор. В состоянии покоя, расстояния между центральным электродом и двумя обкладками конденсатора (выделены оранжевым цветом) равны. При воздействии силы эти расстояния меняются, что в дальнейшем фиксируется специальной аналоговой измерительной системой.

Современные акселерометры имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу. Это позволяет измерять ускорение тела в любом направлении.

2. Измерение углов наклона с помощью акселерометра

Все современные смартфоны умеют определять угол своего наклона относительно горизонта. Эта функция используется для автоматического поворота экрана, а также в различных играх, где управление происходит при помощи наклона. И всё это благодаря акселерометру. Но как устройство, определяющее ускорение, может помочь вычислить угол наклона?

Дело в том, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует сила гравитации. Эта сила придаёт телам ускорение когда они падают на землю. Повернем акселерометр так, чтобы его ось оказалась в вертикальном положении. В таких условиях груз сместится вниз, растянув при этом верхнюю пружину и сжав нижнюю. В этот момент акселерометр зафиксирует величину ускорения свободного падения — 9.8 м/с².

Попробуем использовать этот факт для вычисления угла наклона акселерометра относительно горизонта. Изобразим на схеме тело, на котором закреплен трёхосевой акселерометр. Обозначим эти три оси как: Xт, Yт и Zт.

Затем повернём тело на угол a вокруг оси Xт относительно системы координат мира X, Y и Z. Предполагается, что ось мира Z направлена вдоль вектора силы гравитации (вверх), а оси X и Y вдоль горизонта. Мы смотрим на всю эту систему сбоку, так что оси мира — X и тела — Xт смотрят на нас, и мы их не видим.

В таком положении акселерометр, находящийся внутри тела зафиксирует проекции силы гравитации на все три оси: Gxт,Gyт,Gzт. При этом проекция Gxт на ось Xт будет равна нулю, так как эта ось расположена вдоль горизонта. Проекции Gyт (зеленый отрезок) и Gzт можно выразить с помощью теоремы о прямоугольном треугольнике:

Gyт = G * cos(b) Gzт = G * sin(b)

Таким образом, зная G и одну из проекций Gyт или Gzт можно вычислить угол b отклонения акселерометра от вектора гравитации Z (от вертикальной оси):

Cos(b) = Gyт/G b = arccos(Gyт/G)

Делая такие вычисления, важно учитывать, что G и Gyт должны измеряться в одинаковых единицах. Например, если мы преобразуем показания акселерометра к единицам гравитации (другими словами G = 1 — земная гравитация), то выражение для угла b примет вид:

B = arccos(Gyт/1) = arccos(Gyт)

И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:

A = 90 - b = 90 - arccos(Gyт)

Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.

Заключение

Итак, мы выяснили, что одного лишь акселерометра вполне достаточно, чтобы вычислить угол наклона тела относительно горизонта. В следующем уроке мы рассмотрим конкретный пример работы с датчиком MPU6050 на Ардуино.

Однако, следует учитывать, что вычисление углов с помощью акселерометра возможно только тогда, когда прибор находится в состоянии покоя. Ведь если на прибор во время измерения подействует любая другая сила, акселерометр непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчеты.

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?

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.

Акселерометр — что это такое и зачем нужен?.

Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался - болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться - стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе - не подходи, убьёт; шоколадка в кармане - прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.

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.