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.
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.
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.
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.
Акселерометр, или же G-sensor — датчик определяющий угол наклона девайса относительно земли. Каждый владелец смартфона пользуется такой функцией, как автоповорот экрана , а любители мобильных игр сталкивались с управлением автомобилем с помощью наклона телефона.
Этот датчик неплохо дополняет функциональные способности смартфона. Вот основной перечень его функций :
Акселерометр, это маленький чип , установленный на плате вашего аппарата. Если объяснить просто, то он состоит из инертной массы, прикрепленной к подвижной , гибкой составляющей части. Эта составляющая крепится к неподвижному элементу. С целью подавления случайных или ненужных микроколебаний инертная масса крепится к демпферу .
В период вращения в пространстве или тряске, встроенная в акселерометр, инертная масса реагирует
на инертную силу. Чем выше сила наклона, вращения или тряски, тем сильнее деформируется подвижная часть. После всего этого инертная масса возвращается в исходное положение благодаря гибкой, подвижной составляющей чипа акселерометра.
Датчик замеряет
уровень смещения от уровня состояния покоя. Эта информация преобразуется в электросигнал, а потом отправляется на обработку электронике и программному обеспечению. Благодаря предоставленной информации программа способна определить различия в физических изменениях расположения смартфона.
Но это была описана упрощенная модель
работы акселерометра. Изготовление мобильны акселерометров требует огромнейшей точности расчетов и пропорций. Вручную создать его нельзя, процесс изготовления автоматизирован и применяется химическая реакция среди различных элементов. Акселерометр позволяет перейти на другой, более удобный уровень управления девайсом и играми.
Акселерометр – это измерительный прибор. С его помощью можно фиксировать и анализировать вибрации, а также движение и ускорение. С прибором напрямую связано понятие «кажущейся силы», так вот назначение акселерометра в его измерении.
Кажущейся силой называют геометрическую разницу между реальным ускорением объекта и ускорением силы гравитации нашей планеты. Понятие применяется в системах инерционной навигации.
Акселерометры различаются по типу выхода (аналоговые и цифровые), по частотным диапазонам, а также по количеству осей.
Трёхосный акселерометр способен показывать частоты, периоды и формы собственных колебаний зданий и сооружений. Прибор позволяет анализировать ускорение, действующее в направлении сразу трёх осей. В некоторых случаях такое измерение является единственным способом получить необходимую информацию в полном объёме.
Под крышкой корпуса такого акселерометра располагают пьезоэлементы. Они должны находится симметрично вдоль осей, находящихся перпендикулярно.
Этот вид акселерометров считается своего рода «лидером». Ведь любое другое подобное устройство сильно уступает ему в точности, ширине как рабочего, так и частотного диапазонов. Более того, пьезоэлеметные приборы отличает прочность и надёжность.
Ещё одним плюсом такого устройства считается то, что в процессе его использовании нет необходимости искать способ подключиться к электрической сети, аккумулятору или какой-либо источник питания. Отсутствие движущихся элементов даёт возможность говорить об очень низкой степени износа прибора.
Если говорить о механике работы такого прибора, то это активные датчики, которые генерируют электросигнал, пропорциональный колебаниям. Главным элементом в таком акселерометре считается компонент, который подвергается воздействию. Так появляется электрический заряд, пропорциональный силе, воздействующей на него.
Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.
Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет - в 1974 году - компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.
MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.
MEMS-сенсор
В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.
В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен - он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.
Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.
Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung - литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.
Результат, полученный с помощью объемной обработки
Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.
В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).
DLP-проектор BenQ использует актуаторы
Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.
Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх - они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.
Nokia 5500 - первый телефон с акселерометром
Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.
Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры - устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.
Акселерометр InvenSense MPU-6500
По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.
В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control - и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.
Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией
Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D"Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D"Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.
Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.
Акселерометр, основанный на конденсаторном принципе. На фото изображены обкладки конденсатора (capacitor plates), неподвижная часть (proof mass), пружина (spring)
Самым распространенным типом акселерометров являются пьезоэлектрические системы. Так же как и в конденсаторных акселерометрах, в их основе лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Под давлением он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение, зная параметры всей системы.
Существует и еще один тип акселерометров, который в корне отличается от конденсаторного и пьезоэлектрического. Такие акселерометры называются термальными. Их архитектура предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, и это фиксируется датчиками. Зная, на сколько сместился пузырек при движении, можно рассчитать величину ускорения.
Еще одним интересным датчиком, часто используемым вместе с акселерометром, является гироскоп. Его основное предназначение заключается в измерении угловых скоростей относительно одной или нескольких осей. Собственно, комбинация акселерометра и гироскопа позволяет отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.
Первым из мобильных устройств, обладающих гироскопом, стал Apple iPhone 4, после чего наличие этой МЭМС стало чуть ли не обязательным требованиям для любого смартфона. Функциональность гироскопа пользователи смогли оценивать во многих мобильных играх, где вместо одного из двух виртуальных джойстиков появилась кнопка выстрела. Ну а целиться уже приходилось путем позиционирования смартфона в пространстве, что стало возможно как раз благодаря наличию гироскопа.
Гироскоп, используемый в Apple iPhone 4
Кроме мобильных устройств, гироскопы присутствуют в контроллерах для игровых приставок PlayStation, Xbox и Wii, где они функционируют вместе с акселерометрами. Также эти системы используются в камерах в целях оптической стабилизации для получения качественных снимков.
Архитектура гироскопов во многом схожа с таковой у акселерометров. Многие из этих устройств имеют конденсаторную структуру. Такой дизайн, например, использует в своих продуктах компания STMicroelectronics. В основе их гироскопа лежит механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение чувствительной структуры. Немного поясним этот процесс.
Две подвижные массы находятся в постоянном движении, причем в противоположных направлениях, которые обозначены на рисунке синим цветом. При изменении угловой скорости начинает действовать сила Кориолиса, обозначенная желтым цветом. При этом направление силы Кориолиса перпендикулярно направлению движения масс. Сила Кориолиса вызывает смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Поскольку система имеет конденсаторную структуру, то любое смещение вызывает изменение электрической емкости. И таким образом угловая скорость преобразуется в электрический параметр. Тут же стоит отметить, что благодаря использованию специальных камертонов гироскопы STMicroelectronics нечувствительны к случайной вибрации. При таком нежелательном воздействии на подвижные массы они обе будут смещаться в одном направлении, тем самым не изменяя емкости конденсатора.
Так выглядит чип гироскопа производства STMicroelectronics
Еще одной интересной микроэлектромеханической системой является магнитометр. Он, как и обычный магнитный компас, отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно магнитных полюсов Земли. Полученная же информация используется в основном в картографических и навигационных приложениях.
В дополнение к магнитометру часто используется МЭМС-барометр. Впервые барометр появился в устройстве Samsung Galaxy Nexus, вышедшем в 2011 году. Опять же, его функциональность ничем не отличается от традиционного - он измеряет атмосферное давление в текущем местоположении устройства. При этом барометр уменьшает время подключения к системе GPS. Сама же суть работы сенсора заключается в сравнении внешнего атмосферного давления по отношению к вакуумной камере внутри самого датчика. Это позволяет определять местоположение пользователя с точностью до 50 см по высоте и значительно расширяет возможности навигации пользователя, поскольку также позволяет определить местоположение по вертикали. К примеру, мобильный телефон с барометром поможет определить ваш маршрут на любом этаже торгового центра, с чем не справляется система GPS, указывая лишь местоположение на плоскости.
