Акселерометр — это устройство, измеряющее собственное ускорение объекта. [1] Собственное ускорение — это ускорение ( скорость изменения скорости ) объекта относительно наблюдателя, находящегося в свободном падении (то есть относительно инерциальной системы отсчета ). [2] Собственное ускорение отличается от координатного ускорения , которое является ускорением относительно заданной системы координат , которая может ускоряться или нет. Например, акселерометр, покоящийся на поверхности Земли, измерит ускорение, вызванное силой тяжести Земли, направленное прямо вверх [3], около g ≈ 9,81 м/с 2 . Напротив, акселерометр, находящийся в свободном падении, измерит нулевое ускорение.
Акселерометры имеют множество применений в промышленности, потребительских товарах и науке. Высокочувствительные акселерометры используются в инерциальных навигационных системах для самолетов и ракет. В беспилотных летательных аппаратах акселерометры помогают стабилизировать полет. Акселерометры на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) используются в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны , камеры и игровые контроллеры, для обнаружения движения и ориентации этих устройств. Вибрация в промышленном оборудовании контролируется акселерометрами. Сейсмометры — это чувствительные акселерометры для мониторинга движения грунта, например, землетрясений.
Когда два или более акселерометра скоординированы друг с другом, они могут измерять разницу в собственном ускорении, в частности, гравитации, на их расстоянии в пространстве, то есть градиент гравитационного поля . Гравитационная градиентометрия полезна, поскольку абсолютная гравитация является слабым эффектом и зависит от локальной плотности Земли, которая весьма изменчива.
Одноосный акселерометр измеряет ускорение вдоль указанной оси. Многоосный акселерометр определяет как величину, так и направление собственного ускорения как векторную величину и обычно реализуется как несколько одноосных акселерометров, ориентированных вдоль разных осей.
Акселерометр измеряет собственное ускорение , которое является ускорением, которое он испытывает относительно свободного падения, и является ускорением, которое ощущают люди и предметы. [2] Другими словами, в любой точке пространства-времени принцип эквивалентности гарантирует существование локальной инерциальной системы отсчета , а акселерометр измеряет ускорение относительно этой системы отсчета. [4] Такие ускорения обычно обозначаются как g-force ; т. е. по сравнению со стандартной гравитацией .
Акселерометр в состоянии покоя относительно поверхности Земли покажет приблизительно 1 g вверх, поскольку поверхность Земли оказывает нормальную силу вверх относительно локальной инерциальной системы отсчета (системы отсчета свободно падающего объекта вблизи поверхности). Чтобы получить ускорение, вызванное движением относительно Земли, это «гравитационное смещение» должно быть вычтено и внесены 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 фиксации в гравитационном поле, например, путем приложения силы реакции земли или эквивалентной восходящей тяги, система отсчета для акселерометра (его собственный корпус) ускоряется вверх относительно свободно падающей системы 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 нахождением в той же ракете в глубоком космосе, когда она использует свои двигатели для ускорения до 1 g. По аналогичным причинам акселерометр будет показывать ноль во время любого типа свободного падения . Это включает использование в космическом корабле, движущемся по инерции в глубоком космосе вдали от любой массы, космическом корабле, вращающемся вокруг Земли, самолете в параболической дуге «нулевой гравитации» или любом свободном падении в вакууме. Другим примером является свободное падение на достаточно большой высоте, когда атмосферными эффектами можно пренебречь.
Однако это не включает (несвободное) падение, при котором сопротивление воздуха создает силы сопротивления, которые уменьшают ускорение до тех пор, пока не будет достигнута постоянная конечная скорость . При конечной скорости акселерометр покажет ускорение вверх в 1 g. По той же причине парашютист , достигнув конечной скорости, не чувствует себя в состоянии «свободного падения», а скорее испытывает чувство, похожее на то, как будто его поддерживают (при 1 g) на «ложе» из восходящего воздуха.
Ускорение количественно выражается в единицах СИ — метрах в секунду за секунду (м/с2 ) , в единицах СГС — галлонах (Гал) или, что более популярно, в единицах стандартной силы тяжести ( g ).
Для практической цели нахождения ускорения объектов относительно Земли, например, для использования в инерциальной навигационной системе , требуется знание локальной гравитации. Это может быть получено либо путем калибровки устройства в состоянии покоя, [6] , либо из известной модели гравитации в приблизительном текущем положении.
Базовый механический акселерометр представляет собой затухающую инерционную массу на пружине . Когда акселерометр испытывает ускорение, третий закон Ньютона заставляет сжатие пружины корректироваться, чтобы оказывать эквивалентную силу на массу для противодействия ускорению. Поскольку сила пружины линейно масштабируется с величиной сжатия (согласно закону Гука ) и поскольку константа пружины и масса являются известными константами, измерение сжатия пружины также является измерением ускорения. Система затухает, чтобы предотвратить колебания массы и пружины, мешающие измерениям. Однако затухание заставляет акселерометры иметь частотную характеристику .
У многих животных есть органы чувств, чтобы определять ускорение, особенно гравитацию. В них пробная масса обычно представляет собой один или несколько кристаллов карбоната кальция отолитов (лат. «ушной камень») или статоконий , действующих против слоя волосков, соединенных с нейронами. Волоски образуют пружины, а нейроны служат датчиками. Демпфирование обычно осуществляется жидкостью. Многие позвоночные, включая людей, имеют эти структуры во внутреннем ухе. Большинство беспозвоночных имеют похожие органы, но не как часть их органов слуха. Они называются статоцистами .
Механические акселерометры часто проектируются таким образом, что электронная схема воспринимает небольшое количество движения, затем толкает испытуемую массу с помощью некоторого типа линейного двигателя, чтобы удерживать испытуемую массу от перемещения на большие расстояния. Двигатель может быть электромагнитом или , в очень маленьких акселерометрах, электростатическим . Поскольку электронное поведение схемы может быть тщательно спроектировано, а испытуемая масса не перемещается на большие расстояния, эти конструкции могут быть очень стабильными (т. е. они не колеблются ), очень линейными с контролируемой частотной характеристикой. (Это называется серворежимом проектирования.)
В механических акселерометрах измерение часто бывает электрическим, пьезоэлектрическим , пьезорезистивным или емкостным . Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезокерамические датчики (например, цирконат-титанат свинца ) или монокристаллы (например, кварц , турмалин ). Они не имеют себе равных в высокочастотных измерениях, малом весе в упаковке и устойчивости к высоким температурам. Пьезорезистивные акселерометры лучше выдерживают удары (очень высокие ускорения). Емкостные акселерометры обычно используют кремниевый микрообработанный чувствительный элемент. Они хорошо измеряют низкие частоты.
Современные механические акселерометры часто представляют собой небольшие микроэлектромеханические системы ( MEMS ), и часто являются очень простыми устройствами MEMS, состоящими из немного большего, чем консольная балка с контрольной массой (также известной как сейсмическая масса ). Демпфирование происходит из-за остаточного газа, запечатанного в устройстве. Пока добротность не слишком низкая, демпфирование не приводит к снижению чувствительности.
Под воздействием внешних ускорений испытуемая масса отклоняется от своего нейтрального положения. Это отклонение измеряется аналоговым или цифровым способом. Чаще всего измеряется емкость между набором фиксированных балок и набором балок, прикрепленных к испытуемой массе. Этот метод прост, надежен и недорог. Интеграция пьезорезисторов в пружины для обнаружения деформации пружины и, следовательно, отклонения является хорошей альтернативой, хотя в ходе последовательности изготовления требуется несколько дополнительных технологических этапов. Для очень высокой чувствительности также используется квантовое туннелирование ; это требует специального процесса, что делает его очень дорогим. Оптическое измерение было продемонстрировано в лабораторных приборах.
Другой акселерометр на основе MEMS — это тепловой (или конвективный ) акселерометр. [7] Он содержит небольшой нагреватель в очень маленьком куполе. Он нагревает воздух или другую жидкость внутри купола. Тепловой пузырек действует как испытуемая масса . Сопутствующий датчик температуры (например , термистор или термобатарея ) в куполе измеряет температуру в одном месте купола. Он измеряет местоположение нагретого пузырька внутри купола. Когда купол ускоряется, более холодная, более плотная жидкость толкает нагретый пузырек. Измеренная температура изменяется. Измерение температуры интерпретируется как ускорение. Жидкость обеспечивает демпфирование. Гравитация, действующая на жидкость, обеспечивает пружину. Поскольку испытуемая масса представляет собой очень легкий газ и не удерживается балкой или рычагом, тепловые акселерометры могут выдерживать сильные удары . Другой вариант использует провод как для нагрева газа, так и для обнаружения изменения температуры. Изменение температуры изменяет сопротивление провода. Двумерный акселерометр можно экономично сконструировать с одним куполом, одним пузырем и двумя измерительными устройствами.
Большинство микромеханических акселерометров работают в плоскости , то есть они разработаны так, чтобы быть чувствительными только к направлению в плоскости кристалла . Интегрируя два устройства перпендикулярно на одном кристалле, можно сделать двухосевой акселерометр. Добавляя еще одно внеплоскостное устройство, можно измерять три оси. Такая комбинация может иметь гораздо меньшую ошибку несоосности, чем три дискретные модели, объединенные после упаковки.
Микромеханические акселерометры доступны в широком диапазоне диапазонов измерений, достигающих тысяч g . Разработчик должен найти компромисс между чувствительностью и максимальным ускорением , которое можно измерить.
Акселерометры могут использоваться для измерения ускорения транспортного средства. Акселерометры могут использоваться для измерения вибрации автомобилей, машин, зданий, систем управления технологическими процессами и установок безопасности. Они также могут использоваться для измерения сейсмической активности , наклона, вибрации машины, динамического расстояния и скорости с или без влияния гравитации. Приложения для акселерометров, которые измеряют гравитацию, где акселерометр специально настроен для использования в гравиметрии , называются гравиметрами .
Акселерометры также все чаще используются в биологических науках. Высокочастотные записи двухосного [8] или трехосного ускорения [9] позволяют различать поведенческие модели, пока 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 взмахов конечностей [10] , либо с помощью таких мер, 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 принимают аналогичные подходы. Например, акселерометры использовались для изучения расхода энергии во время полета ястреба Харриса ( Parabuteo unicinctus ). [12] Исследователи также используют акселерометры смартфонов для сбора и извлечения механо-биологических дескрипторов 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 сообщать о вибрации и ее изменениях во времени на валах подшипников вращающегося оборудования, такого как турбины, насосы , [15] вентиляторы, [16] ролики, [17] компрессоры , [18] [19] или неисправности подшипников [20], которые, если не устранить их своевременно, могут привести к дорогостоящему ремонту. Данные 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, которая подвергается динамическим нагрузкам. Динамические нагрузки возникают из различных источников, включая:
В структурных приложениях измерение и регистрация того, как структура динамически реагирует на эти входы, имеет решающее значение для оценки безопасности и жизнеспособности структуры. Этот тип мониторинга называется мониторингом работоспособности, который обычно включает другие типы инструментов, такие как датчики смещения - потенциометры, LVDT и т. д., датчики деформации - тензодатчики, экстензометры-, датчики нагрузки - тензодатчики, пьезоэлектрические датчики- и т. д.
В устройстве AED Plus компании Zoll используется устройство CPR-D•padz, содержащее акселерометр для измерения глубины компрессий грудной клетки при СЛР.
За последние несколько лет несколько компаний выпустили и продали спортивные часы для бегунов, оснащенные шагомерами , содержащими акселерометры, помогающие бегуну, носящему устройство, определять скорость и расстояние.
В Бельгии правительство продвигает шагомеры на основе акселерометров, чтобы мотивировать людей проходить несколько тысяч шагов каждый день.
Цифровой тренажер Herman использует акселерометры для измерения силы удара во время физических тренировок. [21] [22]
Было предложено создать футбольные шлемы с акселерометрами, чтобы измерять воздействие столкновений головами. [23]
Акселерометры использовались для расчета параметров походки , таких как фаза стойки и взмаха. Этот тип датчика может использоваться для измерения или мониторинга людей. [24] [25]
Инерциальная навигационная система — это навигационное средство, которое использует компьютер и датчики движения (акселерометры) для непрерывного расчета с помощью точного счисления положения, ориентации и скорости (направления и скорости движения) движущегося объекта без необходимости во внешних ссылках. Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или тесно связанных устройств, включают инерциальную систему наведения, инерциальную опорную платформу и многие другие вариации.
Акселерометр сам по себе не подходит 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 нестабилен. [26] [27]
Акселерометры используются для определения апогея как в профессиональной [28] , так и в любительской [29] ракетной технике.
Акселерометры также используются в катках Intelligent Compaction. Акселерометры используются вместе с гироскопами в инерциальных навигационных системах. [30]
Одно из наиболее распространенных применений акселерометров MEMS — системы срабатывания подушек безопасности современных автомобилей. В этом случае акселерометры используются для обнаружения быстрого отрицательного ускорения транспортного средства, чтобы определить, произошло ли столкновение и насколько оно серьезно. Другое распространенное применение в автомобильной промышленности — электронные системы контроля устойчивости , которые используют боковой акселерометр для измерения сил на поворотах. Широкое использование акселерометров в автомобильной промышленности значительно снизило их стоимость . [31] Другое применение в автомобильной промышленности — мониторинг шума, вибрации и жесткости (NVH), условий, которые вызывают дискомфорт у водителей и пассажиров, а также могут быть индикаторами механических неисправностей.
Наклонные поезда используют акселерометры и гироскопы для расчета необходимого наклона. [32]
Современные электронные акселерометры используются в устройствах дистанционного зондирования, предназначенных для мониторинга действующих вулканов , чтобы обнаружить движение 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 и ее падения. Затем он может применять меры безопасности, такие как парковка головки жесткого диска для предотвращения падения головки и последующей потери данных при ударе. Это устройство входит в состав многих распространенных компьютерных и потребительских электронных продуктов, выпускаемых различными производителями. Он также используется в некоторых регистраторах данных для контроля операций по обработке грузовых контейнеров . Продолжительность свободного падения используется для расчета высоты падения и оценки удара по упаковке.
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 удерживается. Apple включала акселерометр в каждое поколение iPhone , iPad и iPod touch , а также в каждый iPod nano , начиная с 4-го поколения. Наряду с настройкой ориентации вида, акселерометры в мобильных устройствах также могут использоваться в качестве шагомеров в сочетании со специализированными приложениями . [34]
Системы автоматического оповещения о столкновении (ACN) также используют акселерометры в системе для вызова помощи в случае аварии транспортного средства. Известные системы ACN включают службу OnStar AACN, 911 Assist Ford Link , Safety Connect Toyota , Lexus Link или BMW Assist . Многие смартфоны, оснащенные акселерометрами, также имеют программное обеспечение ACN, доступное для загрузки. Системы ACN активируются путем обнаружения ускорений при столкновении.
Акселерометры используются в электронных системах контроля устойчивости автомобиля для измерения фактического движения автомобиля. Компьютер сравнивает фактическое движение автомобиля с рулевым управлением и дроссельной заслонкой водителя. Компьютер контроля устойчивости может выборочно тормозить отдельные колеса и/или снижать мощность двигателя, чтобы минимизировать разницу между действиями водителя и фактическим движением автомобиля. Это может помочь предотвратить занос или опрокидывание автомобиля.
Некоторые шагомеры используют акселерометр для более точного измерения количества сделанных шагов и пройденного расстояния, чем механический датчик.
Игровая консоль Wii от Nintendo использует контроллер, называемый Wii Remote , который содержит трехосевой акселерометр и был разработан в первую очередь для ввода движения. Пользователи также имеют возможность купить дополнительное чувствительное к движению приспособление Nunchuk , чтобы ввод движения мог регистрироваться с обеих рук пользователя независимо. Также используется в системе Nintendo 3DS .
Будильник с отслеживанием фаз сна использует акселерометрические датчики для обнаружения движения спящего человека, чтобы разбудить его, когда он/она не находится в фазе быстрого сна, и облегчить пробуждение. [35]
Микрофон или барабанная перепонка — это мембрана, которая реагирует на колебания давления воздуха. Эти колебания вызывают ускорение, поэтому акселерометры могут использоваться для записи звука. [36] Исследование 2012 года показало, что голоса могут быть обнаружены акселерометрами смартфонов в 93% типичных повседневных ситуаций. [37]
И наоборот, тщательно продуманные звуки могут заставить акселерометры сообщать ложные данные. В одном исследовании было протестировано 20 моделей (MEMS) акселерометров смартфонов и обнаружено, что большинство из них были подвержены этой атаке. [38]
Ряд устройств 21-го века используют акселерометры для выравнивания экрана в зависимости от направления, в котором удерживается устройство (например, переключение между портретным и альбомным режимами ). К таким устройствам относятся многие планшетные ПК , некоторые смартфоны и цифровые камеры . Amida Simputer , карманное устройство Linux, выпущенное в 2004 году, было первым коммерческим карманным устройством со встроенным акселерометром. Он включал в себя множество взаимодействий на основе жестов с использованием этого акселерометра, включая перелистывание страниц, увеличение и уменьшение масштаба изображений, изменение портретного на альбомный режим и множество простых игр на основе жестов.
По состоянию на январь 2009 года почти все новые мобильные телефоны и цифровые камеры оснащены как минимум датчиком наклона , а иногда и акселерометром для автоматического поворота изображения, мини-игр, реагирующих на движение, и коррекции дрожания при фотосъемке.
Видеокамеры используют акселерометры для стабилизации изображения , либо перемещая оптические элементы для регулировки светового пути к датчику, чтобы отменить непреднамеренные движения, либо цифровым сдвигом изображения для сглаживания обнаруженного движения. Некоторые фотокамеры используют акселерометры для предотвращения размытия изображения. Камера задерживает захват изображения, когда камера движется. 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 паркуются, чтобы избежать потери данных и возможного повреждения головки или диска в результате последующего удара .
Гравиметр или гравитометр — это прибор, используемый в гравиметрии для измерения локального гравитационного поля . Гравиметр — это тип акселерометра, за исключением того, что акселерометры восприимчивы ко всем вибрациям , включая шум , которые вызывают колебательные ускорения. В гравиметре этому противодействует встроенная виброизоляция и обработка сигнала . Хотя основной принцип конструкции тот же, что и в акселерометрах, гравиметры обычно проектируются так, чтобы быть намного более чувствительными, чем акселерометры, для измерения очень малых изменений в пределах гравитации Земли , порядка 1 g . Напротив, другие акселерометры часто проектируются для измерения 1000 g или более, и многие выполняют многоосные измерения. Ограничения на временное разрешение обычно меньше для гравиметров, поэтому разрешение можно увеличить, обрабатывая выходные данные с большей «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 движения (например, манера вождения, уровень опьянения, возраст, пол, сенсорный ввод, географическое местоположение). [42] Если это делается без ведома или согласия пользователя, это называется атакой вывода . Кроме того, миллионы смартфонов могут быть уязвимы для взлома программного обеспечения через акселерометры. [43] [44]
Редуктор на критическом турбокомпрессоре контролировался с помощью стандартного промышленного акселерометра на очень низких частотах...