Датчик линейного ускорения в телефоне что это

Контроль параметров движения становится все более востребованным

В настоящее время датчики для контроля параметров движения (измерения ускорения, ударов, вибрации, углов отклонения от заданного положения) широко используются в качестве средств для управления работой различных объектов. Основой таких систем является датчик линейного ускорения — акселерометр. Его применение открывает широкие возможности по решению задач в разных областях современной техники. Это могут быть исследовательские, геодезические, строительные работы, машиностроение (системы безопасности на основе датчиков удара), авиастроение (датчики для корректировки параметров движения) и др. Использование базовых технологий микроэлектроники позволяет реализовывать подобные системы на стандартном оборудовании и не требует дополнительных финансовых вложений.

Версия для печати:

КОНТРОЛЬ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ В БЫТУ

В повседневной жизни постоянно возникают ситуации, связанные с риском получения травм из-за несвоевременного обнаружения потенциально опасного события и слишком поздней реакции на него. Существует большое количество задач, которые можно решить благодаря акселерометрам (к примеру, присмотр за детьми и больными людьми, контроль вибрации бытовых приборов, улучшение качества любительских фотосьемок и др.).

С технологической точки зрения реализуется один и тот же конструктив — микромеханический чувствительный элемент. У него посредством выполнения стандартных для микроэлектроники операций сформированы подвижныеи неподвижные части, перемещение которых происходит под воздействием ударов и вибрации и затем преобразуетсяв электрический сигнал. Это и дает возможность создать на их основе системы для контроля параметров движения. Акселерометры имеют большой потенциал для использования в системах контроля вибрации и ударов «умного дома».Так, датчики линейного ускорения помогут определять передвижение по комнате и управлять электроприборами.

ЭФФЕКТЫ

Улучшение качества ухода за пожилыми и больными людьми, повышение качества медицинского обслуживания

Снижение бытового и детского травматизма

Повышение общего уровня комфорта проживания при отсутствии существенных финансовых вложений

Повышение качества фото- и видеоматериалов при любительских съемках

ОЦЕНКИ РЫНКА

достигнет объем рынка датчиков движенияк 2020 г. (в 2014 г. — $3 млрд) (ежегодный темп роста составит 13%)

ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ

Развитие микроэлектроники, распространение Интернета вещей

Цифровизация производства и автоматизация производственных мощностей

Повышение уровня значимости социально-ориентированных проектов

Технологическое отставание Россиив развитии микроэлектронного оборудования для производства комплектующих

Высокая стоимость конечного продукта из-за отсутствия серийного производствав России

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОЛОГИИ В РОССИИ

«Заделы» – наличие базовых знаний,компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований

КОНТРОЛЬ УДАРОВ И ВИБРАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАДАЧАХ

Деградация узлов любой механической системы, приводящая к разрушению и последующей аварийной ситуации, может быть спрогнозирована с целью своевременного ремонта или замены потенциально ненадежного узла. Так, у существующих систем безопасности транспортных систем (к примеру, автомобиля) контроль параметров движения по разным направлениям недостаточно полный. С помощью датчика линейного ускорения можно значительно повысить надежность и безопасность автомобиля.

В перспективе будут расширены функциональные возможности датчика за счет обеспечения его универсальности.Он найдет свое применение в системах безопасности на транспорте: как напрямую — для подушек безопасности,так и косвенно — в составе «умных» систем, совмещающих функции датчика удара и системы контроля параметров движения автомобиля (управляемые стоп-сигналы, ABS, системы курсовой устойчивости).

Акселерометр может быть также использован в качестве первичного источника для оперативного получения спектра колебаний узла транспортной системы. Последующий анализ данного спектра позволит своевременно выявить отклонения параметров конструкции от нормы и оценить необходимость ремонта или полной замены узла. Подобный подход может оказаться полезен и в случае необходимости мониторинга рабочих мест при вибрации, и для контроля параметров движения при транспортировке грузов и товаров.

ЭФФЕКТЫ

Повышение безопасности транспортных систем, снижение риска возникновения аварийных ситуаций на дороге

Улучшение качества сервисного обслуживания транспортных систем

Снижение расходов на ликвидацию последствий аварийных ситуаций

Снижение уровня производственного травматизма

Оперативный контроль перемещения хрупких грузов

ОЦЕНКИ РЫНКА

к 2021 г. вырастет рынок датчиков для контроля ударов и вибрации в промышленности (ежегодный рост за 2015–2021 гг. — 14%)

ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ

Необходимость оперативного контроля подвижных узлов

Высокая стоимость существующих способов контроля предаварийного состояния деталей и узлов

Требования по обеспечению мобильности диагностического оборудования

Недостаточная информация по усталостным свойствам известных узлов

Отсутствие информации по результатам экспериментальных исследований эффективности применения датчиковв указанной области

Высокая стоимость конечного продукта из-за отсутствия серийного производства

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОЛОГИИ В РОССИИ

«Возможность альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на высоком уровне и способных на равных сотрудничать с мировыми лидерами

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ КОРПУСИРОВАНИЯ И 3D-СБОРКИ

Из-за малых габаритных размеров, низкого энергопотребления и стоимости МЭМС-датчики нашли применение как в бытовых приборах, так и в авиационной технике. Они активно используются в бесплатформенных инерциальных системах навигации и ориентации (ИНС). Задача ИНС состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств. Принцип действия этих систем основанна свойствах инерции тел, являющихся автономными. Они не требуют наличия поступающих извне сигналов. Инерциальная навигация возникла в ответ на необходимость создания автономных навигационных систем.

Наличие больших шумовых и случайных составляющих сигнала МЭМС-датчиков время автономной работы систем навигации на их основе ограничено, т.к. происходит накопление ошибки. Следовательно, применение данных автономных систем ориентации и навигации возможно в объектах, где происходит периодическая коррекция навигационных параметров, поступающих с высокоточного источника или имеющих малое время автономной работы. Таковыми могут быть различные навигационные МЭМС-приборы, интегрированные со спутниковыми системами навигации GPS, ГЛОНАСС, Галилео — для наземных и воздушных объектов, а также с приборами астронавигации — для космических аппаратов.

ЭФФЕКТЫ

Улучшение массогабаритных показателей

Повышение стойкости к механическими климатическим воздействиям

Снижение стоимости и энергопотребления

Повышение надежности устройств

ОЦЕНКИ РЫНКА

2017 г. вырастет рынок комбинированных датчиков (в 2012 г. — $100 млн, среднегодовой темп роста 2012–2017 гг. составит ок. 70%)

ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ

Развитие авиационной промышленностив РФ

Техническая реализуемость поставленных перед датчиком задач в указанной области

Более высокая стойкость к механическим воздействиям по сравнению с аналогами

Отсутствие необходимых материалов и комплектующих отечественного производства

Высокая стоимость конечного продукта из-за отсутствия серийного производства

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

МЕЖДУНАРОДНЫЕ
ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОЛОГИИ В РОССИИ

«Паритет » – уровень российских исследований не уступает мировому

Датчики в смартфонах и планшетах

Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики в телефонах, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения. Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.
Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Акселерометр (accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения)

Гироскоп (gyroscope)

Геомагнитный датчик (geomagnetic field sensor, магнитометр)

Датчик приближения (proximity sensor)

Датчик освещенности (light sensor, датчик света)

Датчик Холла (Hall sensor)

Барометр (pressure sensor)

Термометр (ambient temperature sensor)

Датчик влажности (гигрометр)

Шагомер (педометр, step detector)

Сканер отпечатков пальцев (fingerprint sensor, Touch ID)

Сканер сетчатки глаза (retina scanner)

Датчик сердцебиения (измеритель пульса, пульсометр)

Датчик насыщения крови кислородом SpO2

Дозиметр

Вспомогательные датчики

Датчиками называются различные устройства, считывающие дополнительную информацию. Данные решения делают работу с телефоном, планшетом или другим гаджетом удобнее и добавляют устройству функциональности.

Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения. Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.

Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Основные датчики в смартфонах и планшетах

Акселерометр

(accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения) – самый простой датчик, который встречается в любом смартфоне или планшете. Служит, в основном, для регистрации поворота смартфона из портретной ориентации в ландшафтную. Часто, именно акселерометр называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую сторону повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра – если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. Здесь на помощь приходит следующий датчик.

Гироскоп

(gyroscope) – также служит для регистрации положения устройства в пространстве, но, в отличие от акселерометра, может регистрировать угол наклона по трем осям даже неподвижного устройства. С помощью гироскопа в играх повышается точность, поскольку разработчикам будет доступна информация об отклонении устройства в градусах с погрешностью всего в 1-2 градуса. Многие считают, что даже недорогие смартфоны и планшеты оснащены гироскопом. Однако наш эксперимент показал, что недорогие смартфоны и планшеты не могут похвастаться наличием гироскопа – только акселерометр. Вот несколько смартфонов и планшетов, где гироскоп обнаружить не удалось:

А вот, где есть пресловутый датчик:

OnePlus One

Гироскоп мы также обнаружили в Samsung Galaxy S III DUOS, Galaxy S5 mini, LG NEXUS 5. И не стоит сомневаться, что гироскоп и солидный набор других датчиков содержится в ТОПовых решениях вроде Samsung Galaxy Note Edge, Galaxy S 6, Galaxy A7, Sony Xperia Z3+, LG G4 и других лучших современных смартфонах.

Удивительно, но в LG G4S и Asus FonePad 8 (про который мы уже писали — подробный обзор Asus FonePad 8) гироскопа в списке датчиков не видно, зато полно вспомогательных сенсоров:

Справедливости ради, нужно отметить, что вспомогательные датчики, рассмотренные нами в самом конце статьи, могут нивелировать отсутствие гироскопического датчика, но, мы полагаем, не полностью.

Геомагнитный датчик

(geomagnetic field sensor, магнитометр) – датчик, реагирующий на магнитные поля земли. С его помощью можно определить стороны света, поэтому часто его называют электронный компас. В частности, наличие такого датчика сильно поможет устройствам без модуля GPS определить местоположение (не без помощи WiFi и вышек сотовой связи, разумеется). Магнитометр – один из ключевых датчиков, который совместно с акселерометром и гироскопом даёт возможность разработчикам использовать устройство на полную мощность. Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности вроде Geomagnetic Rotation vector sensor. Естественно, магнетометр можно использовать по прямому назначению: в качестве металлоискателя, для поиска проводки в стенах, в качестве компаса — ищите в магазинах приложений нужное.

Некоторые приложения для смартфонов, использующие геомагнитный датчик

Датчик приближения

(proximity sensor) – датчик позволяет определить предмет перед собой и расстояние до него. Представляет собой инфракрасный излучатель и приёмник. Когда на приемник не поступает излучения – предмета нет, а когда поступает – предмет, от которого отражается луч, есть. Этот датчик даёт возможность отключить дисплей, когда вы приблизили ухо к смартфону для совершения звонка. Продвинутые версии датчика используются в качестве датчика жестов (gesture sensor) – смартфон может распознать определенные жесты рук и совершить заданное действие. В некоторых случаях, датчик приближения может быть использован для отключения дисплея при использовании чехла (дешёвая альтернатива датчику Холла).

Какие датчики устанавливают в смартфоны и зачем они нужны

Многие удобные и даже необходимые функции смартфона были бы невозможны без специальных датчиков (сенсоров). Управление жестами, автоматическое изменение яркости, изменение ориентации экрана при повороте и его отключение при разговоре, контроль в игре без нажатий — это далеко не полный перечень возможностей. Также наличие некоторых датчиков может превратить смартфон в метеостанцию или быть очень полезным при занятии спортом, слежении за физическим состоянием.

Наличие датчиков в смартфонах и не только было бы не невозможно без развития микроэлектромеханических систем (МЭМС). Такие устройства соединяют в себе электрические и механические компоненты в микроисполнении. Размеры таких элементов не превышают 100 микрометров.

Готовые устройства МЭМС

Основным материалом для создания МЭМС служат кремний и полимеры. По данной технологии создаются все известные сенсоры, которые необходимо использовать в компактных устройствах, например, смартфонах. Совершенствование в технологическом плане смартфонов дало большой толчок для развития МЭМС. Давайте рассмотрим примеры таких датчиков.

Акселерометр – слово, соединяющее в себе два языка: акселеро – с латыни «ускоряю», метр – с греческого «измеряю». Такой датчик замеряет линейное ускорение движущегося тела по трем осям координат. Данные измерений собираются и обрабатываются посредством SoC или специально выделенного микроконтроллера. Далее, производится математический расчёт и фиксируется положения смартфона в пространстве в реальном времени.

Акселерометр внутри смартфона

Именно акселерометр позволяет менять ориентацию экрана с портретной на ландшафтную и наоборот в зависимости от положения устройства, переключать музыкальные треки при встряхивании, гонять автомобильные симуляторы, используя в качестве руля смартфон или планшет. Акселерометр является одним из самых популярных датчиков в смартфоне, и если раньше это была диковинка и прерогатива дорогих телефонов, то на сегодня таким сенсором может похвастаться любое бюджетное решение.

Гироскоп — состоит из двух древнегреческих слов «круг» и «смотрю». Как правило, работает в паре с акселерометром, дополняет его в некоторых случаях. Гироскоп необходим для фиксации углов наклона устройства. Делает это он с помощью измерения скорости углового вращения.

Также как акселерометр, гироскоп передает результаты замеров в устройство для дальнейших расчетов угла наклона и его направления. Погрешность откалиброванного гироскопа составляет не более 1-2 градусов. Широко применяется в мобильных играх, приложениях для фотосъемки, для оптической стабилизации в камерах, летающих дронах, управляемых смартфоном. Также как и акселерометр, гироскоп является очень популярным датчиком и присутствует во многих смартфонах.

Магнитометр – сенсор для измерения магнитного поля. По сути он собой представляет выполненный по технологии МЭМС миниатюрный датчик на основе эффекта Холла. Он регистрирует изменения силы магнитного поля по трем осям X, Y и Z. В этом случае он используется для навигационных и разных картографических приложениях, для повышения точности определения местоположения. Также без этого датчика не будет работать цифровой компас в смартфоне. Магнитометр иногда размещают в одном модуле с акселерометром, и они работают в паре, дополняя друг друга. Еще датчик Холла просто фиксирует изменения магнитного поля, без привязки к осям. Такие свойства используются в паре со специальными чехлами, в которые встроены магниты. При открытии крышки такого чехла экран смартфона автоматически включится и наоборот.

Датчик приближённости. Позволяет отключать экран телефона при разговоре. Такая функция позволяет экономить заряд устройства, а также предотвращает случайные нажатия. Работает такой датчик на основе IR детектора. Он обычно находится возле разговорного динамика и с помощью инфракрасного луча фиксирует нашу часть лица в непосредственной близости к телефону. На основе этого датчика реализуются еще одна интересная фича – распознавание жестов. Они позволяют управлять некоторыми функциями смартфоном не прикасаясь к экрану.

Датчик света – измеряет, насколько яркое освещение вокруг смартфона. На основании его данных ОС повышает или понижает яркость экрана. Экономя энергию смартфона и позволяя более комфортно пользоваться им. Продвинутые датчики могут анализировать составляющую RGB цвета и в соответствии с этим подстраивать цвета дисплея.

Описанные выше сенсоры характерны для соверменных смартфонов. Но ведь есть и редкие экземпляры:

Барометр – датчик для измерения атмосферного давления. Может использоваться в некоторых приложениях (навигационных, измерительных) для определения высоты над уровнем моря. Делает это он, высчитывая разницу атмосферного давления. Также повышает точность и скорость работы систем GPS. Например, фиксируя постоянно высоту объекта относительно уровня моря, можно отследить его перемещения не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной.

Температурный датчик – как вы уже догадались, этот сенсор измеряет температуру. Бывают двух видов:

1. Внутренний – для измерения температуры модулей смартфона, нужен для контроля над нагревом и предотвращения перегрева компонентов. Присутствует во многих устройствах.
2. Внешний – для измерения температуры окружающей среды. Может использоваться в качестве обычного термометра и для разнообразных фитнес-приложений. И этот датчик скорее редкость, чем заурядность.

Датчик влажности воздуха – в паре с предыдущими двумя может выполнять функции продвинутой метеостанции. Поможет вам узнать, не пересушиваете ли вы воздух в квартире и насколько комфортная погода на улице (соотношение температуры и влажности).

Педометр – считает количество пройденных шагов и полезен для отслеживания активности. Главное, чтобы смартфон был всегда при вас.

Пульсометр — по запросу измеряет частоту сердцебиения. Как по мне, намного удобнее использовать этот датчик и шагомер во всевозможных фитнес-браслетах.

Сканер отпечатков пальцев – биометрический датчик, призван повысит безопасность устройства. Подробнее о них вы можете прочитать в одной из наших статей.

Наличие всех перечисленных выше датчиков является своеобразной фишкой смартфонов Samsung линейки Galaxy (начиная с S4).

И совсем уж диковинкой выглядит дозиметр – датчик измерения радиации. Им оснастила свой телефон компания Sharp, а причиной такого шага стала авария на атомной электростанции в Японии.

Проверить наличие и работоспособность того или инного датчика в вашем смартфоне можно с помощью специального программного обеспечения, например — AnTuTu Tester, Z — Device Test, Android Sensor Box и т.д.

Как мы убедились, в нашем смартфоне может быть много разнообразных датчиков и его работа уже практически невозможна без них. А ведь к этому списку можно добавить еще камеру со светочувствительным сенсором, микрофон – регистрация звука, тач — реакция на касание. В будущем же смартфоны могут обладать обонянием, улавливая, например, чадный газ, смогут диагностировать сердечные и другие заболевания и многое другое.

А как вы думаете, какие датчики реально полезны и востребованы в современном смартфоне?

Классификация акселерометров и сферы применения

Акселерометр – это инерциальный датчик кажущегося линейного ускорения (ДЛУ), позволяющий измерить величину изменения скорости движения объекта. Акселерометр измеряет величину этого изменения в единицах g (1g = 9,81 м/с 2 ). В зависимости от технологии изготовления и конструкции акселерометр может осуществлять измерения по одной, двум или трём осям. Для справки: кажущееся линейное ускорение разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением. В каталоге инерциальных датчиков ИНЕЛСО представлены преимущественно одноосевые акселерометры, которые, помимо прочего, могут входить в состав представленных на нашем сайте много-осевых инерциальных модулей. Имея данные о мгновенных изменениях ускорения, возможно вычислить текущую скорость движения тела, а интегрируя скорость по времени, получить пройденное расстояние. Этим обусловлено широкое применение акселерометров в системах навигации. Частным примером применения акселерометров являются системы определения наклона — инклинометры. Поскольку ускорение свободного падения постоянно, измеряя его, можно вычислить угол наклона. Для этого используется акселерометр с диапазоном измерений ±1 g. Если ось чувствительности такого акселерометра расположена перпендикулярно направлению гравитации Земли, то показания на его выходе будут равняться нулю. При постепенном наклоне этого датчика таким образом, чтобы его ось чувствительности поворачивалась в направлении, параллельном гравитационному полю нашей планеты, показания будут нарастать, достигнув максимума (1 g) при положении, когда направление оси чувствительности акселерометра полностью совпадет с направлением гравитации. Приборы, определяющие угол наклона, называются инклинометрами (от англ. Inclination meter). В каталоге ИНЕЛСО представлены одно- и двухосевые инклинометры. Также акселерометры широко применяются для измерения вибрации различных конструкций, узлов и объектов. Данные таких измерений используются в системах мониторинга состояния критически важных или опасных объектов.

Технологии, используемые при производстве акселерометров

В настоящее время широкое распространение при производстве инерциальных датчиков в целом и акселерометров в частности получили МЭМС-технологии.

МЭМС-технологии

МЭМС – это микро-электромеханические системы, устройства, в которых подвижные микромеханические компоненты и микроэлектронные элементы объединены на одной кремниевой пластине. Эта технология начала развиваться в 50-60-х годах прошлого века. До этого момента в технике преобладали преимущественно механические компоненты, обладающие более простым устройством, чем электронные элементы, но их главным недостатком являлся их размер – большинство механических устройств значительно крупнее аналогичных им электронных. Развитие МЭМС-технологий предлагало революционное решение этой проблемы – уменьшение размеров механических деталей и совмещения их с электронными компонентами на одной монтажной подложке, что позволяло использовать преимущества обеих групп компонентов. На рисунке представлена схема работы двухосного ёмкостного акселерометра. В основе емкостных МЭМС-датчиков лежит схема «ёмкостной полумост» – схема из двух конденсаторов с подвижными обкладками. При наличии ускорения инертная масса, являющаяся основой датчика, смещается, а за ней смещаются обкладки конденсаторов, то есть изменяется их ёмкость. Сигнал, отражающий изменение ускорения, перемножается с несущим сигналом, после чего усиливается, де-модулируется, проходит через фильтр низких частот и подаётся на выход устройства. Ёмкостные акселерометры применяются, в основном, для измерений вибрации и ускорения в относительно узкой полосе частот. Существуют также МЭМС-акселерометры, чей принцип работы основан на пьезоэффекте, они бывают пьезоэлектрическими и пьезорезистивными. В пьезоэлектрическом акселерометре движение инертной массы под влиянием силы ускорения вызывает деформацию пьезоэлемента, приводящую к появлению в нём напряжения, пропорционального величине ускорения.

Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрические акселерометры бывают компрессионного и сдвигового типа. В акселерометрах компрессионного типа пьезоэлемент работает на растяжение-сжатие и хорошо подходит для измерений малых величин ускорения, поскольку конструкция такого датчика позволяет получить высокую чувствительность. В акселерометрах сдвигового типа пьезоэлемент работает на сдвиг, и главным преимуществом датчиков этого типа являются их малые размеры и масса, что привело к их широкому распространению в малогабаритных устройствах. К преимуществам пьезоэлектрических акселерометров можно отнести работу в широком температурном диапазоне – от экстремально низких до чрезвычайно высоких, что позволяет использовать их, например, в газотурбинных двигателях.

Пьезорезистивные акселерометры

Пьезорезистивные акселерометры представляют собой инертную массу на упругом подвесе с пьезорезистивными элементами, соединёнными по мостовой схеме. Если появляется ускорение, инертная масса отклоняется от своего нейтрального положения, что приводит к возникновению механических напряжений в пьезорезисторах, от чего меняется их сопротивление. Изменение сопротивлений приводит к разбалансировке всей мостовой схемы и появлению напряжения, пропорционального ускорению, в её диагонали. Пьезорезистивные датчики обладают высоким соотношением сигнал/шум, относительно большой полосой пропускания и высокой ударостойкостью, но они обладают низкой чувствительностью и работают в более узком температурном диапазоне. Их часто применяют для измерения ударов. Ниже представлена схема работы пьезорезистивного акселерометра.

Кварцевые маятниковые акселерометры

Помимо МЭМС-акселерометров, на сайте ИНЕЛСО представлены также кварцевые маятниковые акселерометры. Первые акселерометры такого плана разработала компания Sundstrand Data Control в 1980-х, изготовив микроакселерометр компенсационного типа, в котором чувствительный элемент (ЧЭ) был выполнен из кварца. Верхняя часть внешнего кольца кварцевого элемента закреплена неподвижно в корпусе, таким образом, чтобы, являющийся продолжением кварцевого элемента, подвешенный на тонких эластичных кварцевых перемычках (балках), маятник располагался между двух магнитных систем, состоящих из высокостабильных магнитов и корпуса. Маятник имеет металлическое покрытие, которое в комплексе с элементами корпуса и зазорами создает две емкости. Когда тело, на котором установлен акселерометр, получает ускорение перпендикулярное оси ЧЭ, что приводит к отклонению маятника в направлении приложенного ускорения. Отклонение маятника в свою очередь приводит к изменению зазоров между ним и корпусом. Таким образом происходит изменение емкости конденсаторов, которое поступает в Систему отрицательной обратной связи (ОС) как сигнал ошибки от детектора ёмкости. Реагируя на такое изменение емкости, система ОС пропускает ток через катушки, прикреплённые с обеих сторон маятника. Протекание тока по катушкам вызывает возникновение силы Лоренца, а учитывая, что катушки располагаются вокруг неподвижно установленных в корпусе датчика магнитов маятник возвращается в нулевое положение. Ток, протекающий через катушки, пропорционален ускорению, и этот же ток, проходя через внешние нагрузочные резисторы, даст на выход напряжение, пропорциональное ускорению. Кварцевые акселерометры широко применяются в навигационных системах морских и воздушных судов, ракет, в горнодобывающей промышленности для измерения профиля скважин. К их преимуществам относятся меньшая величина нестабильности смещения, широкий температурный диапазон и высокая чувствительность. На рисунке ниже показано устройство кварцевого акселерометра.

Параметры акселерометров

При выборе акселерометра для конкретных задач, помимо технологии измерения, необходимо учесть характеристики датчика. У ДЛУ есть несколько ключевых параметров, на которые необходимо обратить внимание.

Что нужно учитывать при выборе акселерометра

• Диапазон измерений, измеряемый в единицах g. Чем больше значение, указанное в характеристиках, тем большую амплитуду ускорения способен измерить акселерометр.
• Чувствительность (разрешение) акселерометра – это величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое датчик будет способен определить. Измеряется, как правило, в mg. Чем ниже значение – тем чувствительность выше и тем более слабое ускорение акселерометр сможет зафиксировать.
• Полоса пропускания – это диапазон частот, в котором акселерометр измеряет ускорение. Чем шире полоса пропускания, тем в большем частотном диапазоне акселерометр зафиксирует ускорение, поэтому важно понимать, в каком частотном диапазоне планируется проводить измерения. Для таких источников возбуждения как взрывы и работа машин диапазон частот составляет от 1 до 300 Гц, а вот при забивке свай этот диапазон составляет в среднем от 1 до 100 Гц. Вибрации измеряют в диапазоне от 1 до 1000 Гц, и делят их на низко-, средне- и высокочастотные, и выбор акселерометра во многом зависит от того, какую именно вибрацию планируется им измерять.
• Выходное разрешение акселерометра (масштабный коэффициент) – это отношение полного диапазона измерений акселерометра к полному диапазону полезного сигнала на выходе датчика, измеряется в мВ/g или в ppm. Чем выше разрешение – тем выше амплитуда выходного сигнала при минимальном изменении входной величины.
• Число осей – количество осей, по которым ДЛУ может измерять ускорения.
• Нестабильность смещения – это случайные вариации смещения, вычисленные как усреднённые значения в определённый временной интервал. Чем оно ниже, тем стабильнее сигнал на выходе в не меняющихся условиях.
• Диапазон рабочих температур – чем он шире, тем в более разнообразных условиях акселерометр может функционировать.
• Ударостойкость – сила удара, измеряемая в g, которую способен выдержать акселерометр. Чем она выше, тем более экстремальные механические нагрузки способен выдержать датчик без изменения в технических характеристиках.
• Тип подключения – как устанавливается акселерометр: припаивается на плату или подключается через разъём.

Применение акселерометров

В настоящее время акселерометры применяются во многих сферах и отраслях промышленности:

• Авионика
• Робототехника
• Сельскохозяйственная техника
• Геофизика
• Машиностроение
• Картография
• И других областях.