Акселерометр — это устройство, которое измеряет правильное ускорение объекта . [1] Правильное ускорение — это ускорение (скорость изменения скорости ) объекта относительно наблюдателя , находящегося в свободном падении (то есть относительно инерциальной системы отсчета ). [2] Правильное ускорение отличается от координатного ускорения, которое представляет собой ускорение относительно заданной системы координат , которое может быть ускорением, а может и не быть. Например, акселерометр, покоящийся на поверхности Земли, будет измерять ускорение силы тяжести Земли прямо вверх [3] примерно g ≈ 9,81 м/с 2 . Напротив, акселерометр, находящийся в свободном падении, будет измерять нулевое ускорение.
Акселерометры находят множество применений в промышленности, потребительских товарах и науке. Высокочувствительные акселерометры используются в инерциальных навигационных системах самолетов и ракет. В беспилотных летательных аппаратах акселерометры помогают стабилизировать полет. Акселерометры микромашинных микроэлектромеханических систем (МЭМС) используются в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны , камеры и контроллеры видеоигр, для обнаружения движения и ориентации этих устройств. Вибрация в промышленном оборудовании контролируется акселерометрами. Сейсмометры — это чувствительные акселерометры для мониторинга движений земли, таких как землетрясения.
Когда два или более акселерометров скоординированы друг с другом, они могут измерять разницу в собственном ускорении, особенно гравитации, при их разделении в пространстве, то есть градиент гравитационного поля . Гравитационная градиентометрия полезна, поскольку абсолютная гравитация представляет собой слабый эффект и зависит от локальной плотности Земли, которая весьма изменчива.
Одноосный акселерометр измеряет ускорение вдоль заданной оси. Многоосный акселерометр определяет как величину, так и направление собственного ускорения как векторную величину и обычно реализуется в виде нескольких одноосных акселерометров, ориентированных по разным осям.
Акселерометр измеряет правильное ускорение , то есть ускорение, которое он испытывает относительно свободного падения, и ускорение, ощущаемое людьми и объектами. [2] Другими словами, в любой точке пространства-времени принцип эквивалентности гарантирует существование локальной инерциальной системы отсчета , и акселерометр измеряет ускорение относительно этой системы отсчета. [4] Такие ускорения обычно обозначаются как g-сила ; т. е. по сравнению со стандартной гравитацией .
Акселерометр, находящийся в состоянии покоя относительно поверхности Земли, покажет примерно 1 г вверх , поскольку поверхность Земли оказывает нормальную силу, направленную вверх относительно местной инерциальной системы отсчета (рамки свободно падающего объекта вблизи поверхности). Чтобы получить ускорение из-за движения относительно Земли, это «смещение силы тяжести» необходимо вычесть и внести поправки на эффекты, вызванные вращением Земли относительно инерциальной системы отсчета.
Причиной появления гравитационного смещения является принцип эквивалентности Эйнштейна [5] , который гласит, что воздействие гравитации на объект неотличимо от ускорения. При удержании в гравитационном поле, например, за счет приложения силы реакции земли или эквивалентной тяги вверх, система отсчета акселерометра (собственный корпус) ускоряется вверх по отношению к свободно падающей системе отсчета. Эффекты этого ускорения неотличимы от любого другого ускорения, испытываемого прибором, так что акселерометр не может обнаружить разницу между нахождением в ракете на стартовой площадке и пребыванием в той же ракете в глубоком космосе, когда она использует свои двигатели для ускорения на 1 г. По тем же причинам акселерометр будет показывать ноль во время любого типа свободного падения . Это включает в себя использование на космическом корабле в глубоком космосе вдали от какой-либо массы, на космическом корабле, вращающемся вокруг Земли, на самолете по параболической дуге «невесомости» или на любом свободном падении в вакууме. Другой пример — свободное падение на достаточно большой высоте, где атмосферными эффектами можно пренебречь.
Однако сюда не входит (несвободное) падение, при котором сопротивление воздуха создает силы сопротивления, которые уменьшают ускорение до тех пор, пока не будет достигнута постоянная конечная скорость . При предельной скорости акселерометр покажет ускорение вверх на 1 g. По той же причине парашютист , достигнув конечной скорости, не чувствует себя «свободным падением», а скорее испытывает чувство, похожее на ощущение поддержки (при 1 g) на «ложе» поднимающегося воздуха. .
Ускорение количественно выражается в единицах СИ - метрах в секунду в секунду (м/с 2 ), в единицах СГс - галлонах (Гал) или, как обычно, в терминах стандартной силы тяжести ( г ).
Для практической цели определения ускорения объектов относительно Земли, например, для использования в инерциальной навигационной системе , требуется знание местной гравитации. Это можно получить либо путем калибровки устройства в состоянии покоя [6] , либо из известной модели гравитации в приблизительном текущем положении.
Базовый механический акселерометр представляет собой демпфируемую устойчивую массу на пружине . Когда акселерометр испытывает ускорение, третий закон Ньютона заставляет пружину сжиматься так, чтобы приложить к массе эквивалентную силу, противодействующую ускорению. Поскольку сила пружины линейно зависит от степени сжатия (согласно закону Гука ) и поскольку постоянная пружины и масса являются известными константами, измерение сжатия пружины также является измерением ускорения. Система демпфируется, чтобы колебания массы и пружины не мешали измерениям. Однако демпфирование приводит к тому, что акселерометры имеют частотную характеристику .
У многих животных есть органы чувств, позволяющие улавливать ускорение, особенно силу тяжести. В них проверочная масса обычно представляет собой один или несколько кристаллов отолитов карбоната кальция (лат. «ушной камень») или статоконий , действующих на слой волос, связанных с нейронами. Волосы образуют пружины, а нейроны служат датчиками. Демпфирование обычно осуществляется жидкостью. У многих позвоночных, включая человека, эти структуры есть во внутреннем ухе. У большинства беспозвоночных есть подобные органы, но они не являются частью органов слуха. Их называют статоцистами .
Механические акселерометры часто проектируются таким образом, что электронная схема воспринимает небольшое движение, а затем прижимает проверочную массу с помощью линейного двигателя определенного типа , чтобы проверочная масса не перемещалась далеко. Двигатель может быть электромагнитом или , в очень маленьких акселерометрах, электростатическим . Поскольку электронное поведение схемы может быть тщательно спроектировано, а контрольная масса не перемещается далеко, эти конструкции могут быть очень стабильными (т. е. они не колеблются ), очень линейными с контролируемой частотной характеристикой. (Это называется проектированием режима сервопривода .)
В механических акселерометрах измерения часто бывают электрическими, пьезоэлектрическими , пьезорезистивными или емкостными . В пьезоэлектрических акселерометрах используются пьезокерамические датчики (например, цирконат-титанат свинца ) или монокристаллы (например , кварц , турмалин ). Они не имеют себе равных по показателям высокочастотных измерений, малому весу в упаковке и устойчивости к высоким температурам. Пьезорезистивные акселерометры лучше противостоят ударам (очень высоким ускорениям). В емкостных акселерометрах обычно используется кремниевый микромеханический чувствительный элемент. Хорошо измеряют низкие частоты.
Современные механические акселерометры часто представляют собой небольшие микроэлектромеханические системы ( МЭМС ) и часто представляют собой очень простые МЭМС-устройства, состоящие из немногим большего, чем консольная балка с контрольной массой (также известной как сейсмическая масса ). Демпфирование происходит за счет остаточного газа, запертого в устройстве. Пока добротность не слишком низкая, демпфирование не приводит к снижению чувствительности.
Под действием внешних ускорений испытательная масса отклоняется от нейтрального положения. Это отклонение измеряется аналоговым или цифровым способом. Чаще всего измеряется емкость между набором неподвижных балок и набором балок, прикрепленных к контрольной массе. Этот метод прост, надежен и недорог. Интеграция пьезорезисторов в пружины для обнаружения деформации пружины и, следовательно, прогиба является хорошей альтернативой, хотя на этапе изготовления необходимо выполнить еще несколько технологических операций. Для очень высокой чувствительности также используется квантовое туннелирование ; это требует специального процесса, что делает его очень дорогим. Оптические измерения были продемонстрированы на лабораторных устройствах.
Другой акселерометр на основе МЭМС — это тепловой (или конвективный ) акселерометр. [7] Он содержит небольшой обогреватель в очень маленьком куполе. Это нагревает воздух или другую жидкость внутри купола. Термический пузырь действует как проверочная масса . Сопутствующий датчик температуры (например , термистор или термобатарея ) в куполе измеряет температуру в одном месте купола. Это измеряет расположение нагретого пузыря внутри купола. Когда купол ускоряется, более холодная жидкость с более высокой плотностью выталкивает нагретый пузырь. Измеренная температура изменяется. Измерение температуры интерпретируется как ускорение. Жидкость обеспечивает демпфирование. Сила тяжести, действующая на жидкость, обеспечивает пружину. Поскольку испытательная масса представляет собой очень легкий газ и не удерживается балкой или рычагом, тепловые акселерометры могут выдерживать сильные удары . В другом варианте используется провод для нагрева газа и обнаружения изменения температуры. Изменение температуры меняет сопротивление провода. Двумерный акселерометр можно экономично сконструировать с одним куполом, одним пузырьком и двумя измерительными устройствами.
Большинство микромеханических акселерометров работают в плоскости , то есть они чувствительны только к направлению в плоскости матрицы . Путем интеграции двух устройств перпендикулярно на одном кристалле можно создать двухосный акселерометр. Добавив еще одно устройство вне плоскости , можно измерить три оси. Такая комбинация может иметь гораздо меньшую ошибку несоосности, чем три отдельные модели, объединенные после упаковки.
Микромеханические акселерометры доступны в самых разных диапазонах измерения, достигающих тысяч g . Разработчик должен найти компромисс между чувствительностью и максимальным ускорением, которое можно измерить.
Акселерометры можно использовать для измерения ускорения автомобиля. Акселерометры можно использовать для измерения вибрации автомобилей, машин, зданий, систем управления технологическими процессами и устройств безопасности. Их также можно использовать для измерения сейсмической активности , наклона, вибрации машины, динамического расстояния и скорости с учетом или без воздействия силы тяжести. Приложения для акселерометров, измеряющих силу тяжести, в которых акселерометр специально сконфигурирован для использования в гравиметрии , называются гравиметрами .
Акселерометры также все чаще используются в биологических науках. Высокочастотная запись двухосного [8] или трехосного ускорения [9] позволяет различать модели поведения, когда животные находятся вне поля зрения. Кроме того, записи ускорения позволяют исследователям количественно оценить скорость, с которой животное расходует энергию в дикой природе, либо путем определения частоты ударов конечностей [10] , либо путем измерения таких показателей, как общее динамическое ускорение тела [11]. Такие подходы в основном были приняты. морскими учеными из-за невозможности изучать животных в дикой природе с помощью визуальных наблюдений, однако все большее число наземных биологов применяют аналогичные подходы. Например, акселерометры использовались для изучения затрат энергии в полете ястреба Харриса ( Parabuteo unicinctus ). [12] Исследователи также используют акселерометры смартфонов для сбора и извлечения механобиологических характеристик упражнений с отягощениями. [13] Исследователи все чаще используют акселерометры с дополнительными технологиями, такими как камеры или микрофоны, чтобы лучше понять поведение животных в дикой природе (например, охотничье поведение канадской рыси [14] ).
Акселерометры также используются для мониторинга состояния оборудования, чтобы регистрировать вибрацию и ее изменения во времени валов на подшипниках вращающегося оборудования, такого как турбины, насосы , [15] вентиляторы, [16] ролики, [17] компрессоры , [18] [ 19] или неисправность подшипника [20] , которая, если не устранить ее своевременно, может привести к дорогостоящему ремонту. Данные о вибрации акселерометра позволяют пользователю контролировать машины и обнаруживать эти неисправности до того, как вращающееся оборудование полностью выйдет из строя.
Акселерометры используются для измерения движения и вибрации конструкции, подвергающейся динамическим нагрузкам. Динамические нагрузки возникают из различных источников, включая:
В структурных приложениях измерение и запись того, как конструкция динамически реагирует на эти воздействия, имеет решающее значение для оценки безопасности и жизнеспособности конструкции. Этот тип мониторинга называется мониторингом работоспособности, который обычно включает в себя другие типы инструментов, такие как датчики смещения - потенциометры, LVDT и т. д. - датчики деформации - тензодатчики, экстензометры - датчики нагрузки - тензодатчики, пьезоэлектрические датчики - среди другие.
В AED Plus компании Zoll используется CPR-D•padz, который содержит акселерометр для измерения глубины непрямого массажа сердца при СЛР.
За последние несколько лет несколько компаний выпустили и продали спортивные часы для бегунов, включающие в себя шагомеры с акселерометрами, помогающими определять скорость и расстояние для бегуна, носящего эти часы.
В Бельгии правительство продвигает счетчики шагов на основе акселерометра, чтобы побудить людей проходить несколько тысяч шагов каждый день.
Herman Digital Trainer использует акселерометры для измерения силы удара во время физических тренировок. [21] [22]
Было предложено сконструировать футбольные шлемы с акселерометрами для измерения воздействия столкновений голов. [23]
Акселерометры использовались для расчета параметров походки , таких как стойка и фаза поворота. Датчик такого типа можно использовать для измерения или наблюдения за людьми. [24] [25]
Инерциальная навигационная система — это навигационное средство, которое использует компьютер и датчики движения (акселерометры) для непрерывного расчета посредством точного расчета положения, ориентации и скорости (направления и скорости движения) движущегося объекта без необходимости использования внешних ссылок. Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или тесно связанных с ними устройств, включают инерциальную систему наведения, инерциальную опорную платформу и многие другие варианты.
Сам по себе акселерометр непригоден для определения изменений высоты на расстояниях, где вертикальное уменьшение силы тяжести является значительным, например, для самолетов и ракет. При наличии гравитационного градиента процесс калибровки и обработки данных численно неустойчив. [26] [27]
Акселерометры используются для обнаружения апогея как в профессиональном [28] , так и в любительском [29] ракетостроении.
Акселерометры также используются в катках интеллектуального уплотнения. Акселерометры используются наряду с гироскопами в инерциальных навигационных системах. [30]
Одним из наиболее распространенных применений акселерометров MEMS являются системы раскрытия подушек безопасности в современных автомобилях. В этом случае акселерометры используются для обнаружения быстрого отрицательного ускорения транспортного средства, чтобы определить, когда произошло столкновение и его серьезность. Другое распространенное применение в автомобилях — электронные системы контроля устойчивости , которые используют боковой акселерометр для измерения силы поворота. Широкое использование акселерометров в автомобильной промышленности привело к резкому снижению их стоимости . [31] Еще одним автомобильным приложением является мониторинг шума, вибрации и жесткости (NVH), условий, которые вызывают дискомфорт у водителей и пассажиров, а также могут быть индикаторами механических неисправностей.
В наклоняющихся поездах используются акселерометры и гироскопы для расчета необходимого наклона. [32]
Современные электронные акселерометры используются в устройствах дистанционного зондирования, предназначенных для мониторинга действующих вулканов с целью обнаружения движения магмы . [33]
Акселерометры все чаще встраиваются в персональные электронные устройства для определения ориентации устройства, например, экрана дисплея.
Датчик свободного падения (FFS) — это акселерометр, используемый для обнаружения падения системы. Затем он может применить меры безопасности, такие как парковка головки жесткого диска , чтобы предотвратить ее повреждение и потерю данных при ударе. Это устройство входит в состав многих распространенных компьютерных и потребительских электронных устройств, выпускаемых различными производителями. Он также используется в некоторых регистраторах данных для мониторинга операций по обработке грузовых контейнеров . Продолжительность свободного падения используется для расчета высоты падения и оценки удара упаковки.
Некоторые смартфоны , цифровые аудиоплееры и персональные цифровые помощники содержат акселерометры для управления пользовательским интерфейсом; часто акселерометр используется для отображения альбомной или портретной ориентации экрана устройства в зависимости от того, как устройство держат. Apple включила акселерометр в каждое поколение iPhone , iPad и iPod touch , а также в каждый iPod nano, начиная с 4-го поколения. Помимо регулировки ориентации ориентации, акселерометры в мобильных устройствах также можно использовать в качестве шагомеров в сочетании со специализированными приложениями . [34]
Системы автоматического уведомления о столкновении (ACN) также используют акселерометры для вызова помощи в случае аварии транспортного средства. Известные системы ACN включают службу OnStar AACN, Ford Link 911 Assist , Toyota Safety Connect , Lexus Link или BMW Assist . Многие смартфоны, оснащенные акселерометром, также имеют программное обеспечение ACN, доступное для загрузки. Системы ACN активируются путем обнаружения резкого ускорения.
Акселерометры используются в электронных системах контроля устойчивости автомобиля для измерения фактического движения автомобиля. Компьютер сравнивает фактическое движение автомобиля с действиями водителя на рулевом управлении и дроссельной заслонке. Компьютер системы стабилизации может выборочно тормозить отдельные колеса и/или снижать мощность двигателя, чтобы минимизировать разницу между действиями водителя и фактическим движением автомобиля. Это поможет предотвратить пробуксовку или опрокидывание автомобиля.
В некоторых шагомерах используется акселерометр для более точного измерения количества сделанных шагов и пройденного расстояния, чем это может обеспечить механический датчик.
Игровая консоль Nintendo Wii использует контроллер Wii Remote , который содержит трехосный акселерометр и был разработан в первую очередь для ввода данных с помощью движения. Пользователи также имеют возможность приобрести дополнительное приспособление, чувствительное к движению, Nunchuk , чтобы можно было независимо записывать движения обеих рук пользователя. Также используется в системе Nintendo 3DS .
Будильники фазы сна используют акселерометрические датчики для обнаружения движения спящего, чтобы они могли разбудить человека, когда он/она не находится в фазе быстрого сна, чтобы его было легче разбудить. [35]
Микрофон или барабанная перепонка — это мембрана, реагирующая на колебания давления воздуха. Эти колебания вызывают ускорение, поэтому для записи звука можно использовать акселерометры. [36] Исследование 2012 года показало, что голоса могут быть обнаружены акселерометрами смартфонов в 93% типичных повседневных ситуаций. [37]
И наоборот, тщательно продуманные звуки могут привести к тому, что акселерометры сообщат ложные данные. В ходе одного исследования было протестировано 20 моделей акселерометров смартфонов (MEMS) и обнаружено, что большинство из них подвержены этой атаке. [38]
В ряде устройств XXI века используются акселерометры для выравнивания экрана в зависимости от направления удержания устройства (например, переключение между портретным и ландшафтным режимами ). К таким устройствам относятся многие планшетные ПК , некоторые смартфоны и цифровые камеры . Amida Simputer , портативное устройство Linux, выпущенное в 2004 году, было первым коммерческим портативным устройством со встроенным акселерометром. Он включал в себя множество взаимодействий на основе жестов с использованием этого акселерометра, включая перелистывание страниц, увеличение и уменьшение изображения, изменение портретного режима на альбомный и множество простых игр, основанных на жестах.
По состоянию на январь 2009 года почти все новые мобильные телефоны и цифровые камеры содержат как минимум датчик наклона , а иногда и акселерометр для автоматического поворота изображения, мини-игр, чувствительных к движению, и коррекции дрожания при фотосъемке.
В видеокамерах для стабилизации изображения используются акселерометры , либо путем перемещения оптических элементов для регулировки пути света к датчику для устранения непреднамеренных движений, либо путем цифрового смещения изображения для сглаживания обнаруженного движения. Некоторые фотокамеры используют акселерометры для предотвращения размытия изображения. Камера приостанавливает захват изображения во время движения. Когда камера неподвижна (хотя бы на миллисекунду, как это может быть в случае вибрации), изображение захватывается. Примером применения этой технологии является Glogger VS2, [39] телефонное приложение, которое работает на телефонах на базе Symbian с акселерометрами, таких как Nokia N96 . Некоторые цифровые камеры содержат акселерометры для определения ориентации снимаемой фотографии, а также для поворота текущего изображения при просмотре.
Многие ноутбуки оснащены акселерометром, который используется для обнаружения падений. Если обнаружено падение, головки жесткого диска останавливаются, чтобы избежать потери данных и возможного повреждения головки или диска в результате последующего удара .
Гравиметр или гравиметр — прибор, используемый в гравиметрии для измерения местного гравитационного поля . Гравиметр — это тип акселерометра, за исключением того, что акселерометры чувствительны ко всем вибрациям , включая шум , которые вызывают колебательные ускорения. В гравиметре этому противодействуют встроенная виброизоляция и обработка сигналов . Хотя основной принцип конструкции такой же, как и в акселерометрах, гравиметры обычно проектируются так, чтобы быть гораздо более чувствительными, чем акселерометры, чтобы измерять очень незначительные изменения силы тяжести Земли , составляющие 1 g . Напротив, другие акселерометры часто рассчитаны на измерение 1000 g и более, и многие из них выполняют многоосные измерения. Ограничения на временное разрешение обычно меньше для гравиметров, поэтому разрешение можно увеличить за счет обработки выходных данных с более длинной «постоянной времени».
Данные акселерометра, к которым сторонние приложения могут получить доступ без разрешения пользователя на многих мобильных устройствах, [41] использовались для получения обширной информации о пользователях на основе записанных моделей движений (например, поведение при вождении, уровень интоксикации, возраст, пол, ввод данных на сенсорном экране, географическое положение). [42] Если это делается без ведома или согласия пользователя, это называется атакой на основе вывода . Кроме того, миллионы смартфонов могут быть уязвимы для взлома программного обеспечения с помощью акселерометров. [43] [44]
Редуктор критического турбокомпрессора контролировался стандартным промышленным акселерометром на очень низких частотах...