Акселерометры: принцип работы и сферы применения

Современные устройства полагаются на датчики для мониторинга и управления физическими величинами. Среди них акселерометры измеряют ускорение и скорость объекта, обеспечивая функции от ориентации смартфона до авиационной навигации.

Что такое акселерометр?

Ускорение — это скорость изменения скорости во времени. На практике есть два понятия: собственное ускорение (proper acceleration), которое является физическим ускорением, ощущаемым объектом относительно инерциального пространства, и координатное ускорение, зависящее от системы отсчета наблюдателя. Акселерометр — это электромеханический прибор, непосредственно измеряющий собственное ускорение.

Принцип работы

Основной принцип аналогичен массе на пружине. Когда устройство ускоряется, масса отвлекается до тех пор, пока восстанавливающая сила пружины не уравновесит инерциальную силу. Полученное смещение пропорционально воспринятому ускорению, и это механическое движение преобразуется в электрический сигнал.

Акселерометры выпускаются в аналоговых и цифровых форматах. Они изготавливаются с использованием пьезоэлектрического, пьезорезистивного или емкостного преобразования. Каждый метод переводит механическое движение в измеримую электрическую величину:

• Пьезоэлектрические акселерометры используют однокристаллический пьезоэлектрический материал, генерирующий напряжение под напряжением, идеально для высокочастотных и высокотемпературных применений.
• Емкостные акселерометры применяют кремниевые микромеханические структуры, где ускорение меняет емкость, затем преобразуемую в напряжение.
• MEMS-акселерометры имеют крошечный консольный луч с измерительной массой, доступны в двух- или трехмерных конфигурациях для определения ориентации и скорости.

Применение

Акселерометры лежат в основе многих технологий по отраслям:

• Инерциальные навигационные системы для самолетов, кораблей и автономных транспортных средств.
• Мониторинг вибраций во вращающихся машинах для предотвращения аварий.
• Ориентация экрана и стабилизация изображения в смартфонах и цифровых камерах.
• Стабилизация полета и управление моторами в дронах.
• Ориентация устройств, обнаружение ударов и отслеживание движений в ноутбуках и мобильных телефонах.
• Биологические исследования для высокочастотного анализа движений животных.
• Мониторинг здоровья промышленного оборудования и обнаружение неисправностей роторов.
• Мониторинг структурного здоровья зданий и мостов под динамическими нагрузками.
• Измерение глубины грудных компрессий при сердечно-легочной реанимации в медицинских приборах.
• Навигация и определение направления для GPS-аугментированных систем.
• Дистанционное зондирование сейсмической активности в сетях мониторинга вулканов.

Реальные примеры

Акселерометры интегрированы в самолеты, ракеты, системы мониторинга землетрясений, насосы, вентиляторы, компрессоры, медицинские АЭД, футподс, интеллектуальные катки, системы разворачивания подушек безопасности, электронную стабилизацию в автомобилях, наклонные поезда, гравиметры, видеокамеры, G-логгеры, мобильные телефоны и многое другое.

В каждом смартфоне есть акселерометр, который вместе с гироскопом определяет ориентацию экрана и поддерживает приложения на основе движения. Вспомните последнее автоповорот экрана вашего телефона — на работе был акселерометр.