Акселерометры: полное руководство по технологии датчиков ускорения

Что такое акселерометр?

Датчик, измеряющий проекцию собственного ускорения (ускорение относительно мгновенно сопряжённой инерциальной системы отсчёта). Определяет модуль и направление ускорения.

Что такое ускорение?

Скорость изменения скорости. Два типа:

• Статические силы — гравитация, трение (постоянно действуют). Акселерометр в покое на столе покажет g ≈ 9,81 м/с² вниз.
• Динамические силы — удары, вибрация, маневры (действуют переодически).

Конфигурация измерения

Измеряет ускорение по 1, 2 или 3 ортогональным осям. Режимы:

• Скорость и позиция (интегрирование).
• Наклон/ориентация (2D/3D).
• Вибрация/удар.

(3D-куб — трёхосевой акселерометр)

MEMS-акселерометры

Микроэлектромеханические системы (MEMS) — микродизайны с подвижными кремниевыми массами. Размеры ~мм → смартфоны, носимые гаджеты. Поворот экрана, подсчёт шагов, детект падения (умные часы → вызов помощи).

(MEMS-микрофон/акселерометр)

Принципы работы

Пьезоэлектрический эффект

Микрокристалл генерирует напряжение при деформации от ускорения. Напряжение ∝ ускорение. Применение: датчики наклона/давления в телефонах, тачпадах.

(Электрическая модель пьезоэлектрического датчика)

Ёмкостной метод (MEMS)

Две пластины конденсатора. Подвижная масса на одной пластине смещается под действием инерции → меняется ёмкость → измеряется сила → ускорение = сила / масса.

1. Две ёмкостные пластины.
2. Масса на одной пластине смещается → ΔC.
3. Из ΔC вычисляют силу и ускорение.

Основные области применения

• Автобеспасность: датчики удара → срабатывание подушек безопасности.
• (Сработавшие подушки безопасности)
• Игровые контроллеры: наклон пульта → управление в игре (Wii, VR).
• Диагностика оборудования: вибронаблюдение за насосами, турбинами, вентиляторами, валами. Раннее обнаружение неисправностей.
• Навигация: INS (инерциальные навигационные системы) — самолёты, ракеты, подводные лодки.
• Биомеханика и спорт: анализ движений, рехабилитация.
• Смартфоны: поворот экрана, жесты, педометр, AR/VR.

Выбор акселерометра

1. Частотный отклик: диапазон частот, где передача ±5% (типично 100 Гц).
2. Число осей: 1, 2 или 3 (трёхосевые — стандарт). Можно собрать из трёх одноксиальных на блоке крепления.
3. Диапазон измерения (g): ±2g (точные навигационные), ±16g (ударные), ±200g+ (краш-тесты).
4. Интерфейс: аналоговый, I2C, SPI.
5. Потребление и размер: критично для IoT/носимых.

(Иконка гироскопа смартфона)

Заключение

Акселерометры — повсеместны: от телефонов до авиации. MEMS сделали их дешёвыми и компактными. Для сложных задач (инерциальная навигация) нужны высокоточные модели; для бытовых — достаточно дешёвых MEMS. Нужна помощь с выбором — пишите!