Spis treści:
Pomiar przyspieszenia przydaje się nie tylko w testach pojazdów i na lekcjach fizyki. Elektroniczne urządzenie znane jako akcelerometr jest używane do pomiaru przyspieszenia i szeroko stosowane w elektronice konsumenckiej, nawigacji, robotyce, motoryzacji, a nawet w aplikacjach medycznych.
Akcelerometr - zasada działania
Akcelerometry działają na zasadzie wykorzystania siły inercji. Inercja nie jest właściwie siłą, ale to właśnie ona jest odpowiedzialna za opór, jaki ciało stawia wobec zmiany swojego stanu ruchu. Inercja to właściwość ciał, która sprawia, że ciało opiera się zmianom w swoim stanie ruchu, czyli zmianie prędkości lub kierunku ruchu. Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona ciało w spoczynku będzie pozostawać w spoczynku, a ciało w ruchu będzie poruszać się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeśli nie działa na nie żadna zewnętrzna siła lub jeśli działające siły są równoważące się. Akcelerometr to urządzenie, które mierzy wibracje lub przyspieszenie ruchu konstrukcji. Siła wywołana przez wibracje lub zmianę ruchu (przyspieszenie) powoduje, że masa “ściska” materiał piezoelektryczny, który wytwarza ładunek elektryczny proporcjonalny do wywieranej na niego siły. A skoro ładunek jest proporcjonalny do siły, a masa jest stała, to ładunek jest również proporcjonalny do przyspieszenia.
Czujniki te są wykorzystywane na wiele sposobów, nawet na stacjach kosmicznych, ale zostańmy na ziemi – spójrzmy na urządzenia przenośne.
Większość dzisiejszych smartfonów posiada akcelerometr i dzięki niemu telefon wie, czy ulega przyspieszeniu w danym kierunku. To właśnie dlatego wyświetlacz telefonu reaguje po jego obróceniu. W przemyśle akcelerometry pomagają inżynierom zrozumieć stabilność maszyny i umożliwiają im monitorowanie wszelkich niepożądanych sił i wibracji.
Jak działa akcelerometr? Przyśpieszenie
Znamy już zasadnicze reguły, spójrzmy zatem teraz do środka. Akcelerometr działa przy użyciu czujnika elektromechanicznego, który jest przeznaczony do pomiaru przyspieszenia statycznego lub dynamicznego. Przyspieszenie może być stałą siłą działająca na ciało. Należą do nich na przykład grawitacja lub tarcie. Siły te są w dużym stopniu przewidywalne i jednolite. Na przykład przyspieszenie spowodowane grawitacją jest stałe i wynosi 9,8 m/s, a siła grawitacji jest prawie taka sama w każdym punkcie na Ziemi.
Siły przyspieszenia dynamicznego, a więc zmiennego, są nierównomierne, a najlepszym ich przykładem są wibracje lub wstrząsy. Przykładowo podczas zderzenia samochodów zmiana przyspieszenia jest nagła w porównaniu do poprzedniego stanu. Teoria i zamysł stojące za akcelerometrami polegają na tym, że mogą one wykrywać przyspieszenie i przekształcać je w mierzalne wielkości, takie jak sygnały elektryczne.
Rodzaje akcelerometrów
Przyjrzenie się kilku z nim pozwoli lepiej zrozumieć różnice, choć w zależności od zastosowania i specyfikacji mogą istnieć inne rodzaje, które są wciąż opracowywane przez firmy i instytucje badawcze.
- Akcelerometry piezoelektryczne wykorzystują zjawisko piezoelektryczności. W prostych słowach jest to zjawisko, które polega na tym, że niektóre materiały potrafią generować napięcie elektryczne w odpowiedzi na mechaniczne naprężenia lub odkształcenia, a także odwrotnie – odkształcać się w wyniku zastosowanego napięcia elektrycznego. Innymi słowy, kiedy wywieramy siłę na taki materiał, np. ściskając go, wywołuje to zmiany w strukturze atomowej, co powoduje pojawienie się napięcia elektrycznego. W akcelerometrach piezoelektrycznych przyspieszenie jest przekształcane na siłę działającą na kryształ piezoelektryczny, co generuje napięcie proporcjonalne do przyspieszenia.
- Akcelerometry pojemnościowe wykorzystują z kolei zmiany pojemności między dwoma lub więcej elektrodami w odpowiedzi na przyspieszenie. Zasada działania obejmuje zmianę odległości między elektrodami lub zmianę ich nakładania się, co prowadzi do zmiany pojemności. Te zmiany pojemności mogą być następnie przeliczane na wartość przyspieszenia.
- Akcelerometry MEMS, czyli mikrosystemy elektromechaniczne (z ang. microelectromechanical systems) to technologia tworzenia urządzeń mechanicznych i elektronicznych. MEMS umożliwiają miniaturyzację i integrację wielu funkcji w jednym małym układzie, co przynosi ze sobą zasadnicze zalety takie jak oszczędność miejsca, niskie zużycie energii i wysoka precyzja pomiarów. Akcelerometry MEMS są wykonywane na cienkich warstwach krzemionki i do mierzenia przyspieszenia wykorzystują mikromechaniczne struktury, takie jak sprężyny i masy. Przesunięcie masy spowodowane przyspieszeniem jest rejestrowane przez czujniki pojemnościowe lub rezystancyjne.
- Akcelerometry potencjometryczne wykorzystują zasadę zmiany rezystancji wewnętrznego potencjometru w odpowiedzi na przyspieszenie. Przykładem takiego akcelerometru jest akcelerometr kulowy, który mierzy przyspieszenie w oparciu o zmianę położenia kulki w metalowej misce, co prowadzi do zmiany rezystancji potencjometru.
- Akcelerometry laserowe lub akcelerometry optyczne działają w oparciu o światło laserowe i zasadę interferometrii do pomiaru przemieszczenia powierzchni wstrząsanej przez przyspieszenie. Przesunięcie fazowe światła jest mierzone i przeliczane na wartość przyspieszenia. Cechują je wysoka precyzja, wykrywanie bardzo małych zmian przyśpieszenia i szerokie zakresy dynamiczne.
Akcelerometr w elektronice
Z pewnością warto podjąć decyzję o nauce elektroniki – wie o tym każdy Czytelnik Botland Blog. Akcelerometr może być interesującym narzędziem do eksperymentowania i rozwijania umiejętności. Jedna z nich to eksploracja czujników. Skoro akcelerometry są jednymi z najpopularniejszych czujników używanych w elektronice, to korzystanie z akcelerometru pozwala lepiej zrozumieć, jak działają czujniki i jak interpretować ich odczyty. Stąd niedaleko już do kolejnego kroku, jakim jest projektowanie interaktywnych urządzeń, bowiem akcelerometry są często wykorzystywane w projektowaniu takich gadżetów jak kontrolery do gier, smartfony, tablety czy inteligentne zegarki. Tworząc własne projekty elektroniczne z wykorzystaniem akcelerometru można rozwijać umiejętności projektowania interfejsów i sterowania ruchem.
Kolejna na planie pojawia się robotyka amatorska. Akcelerometry są niezwykle przydatne w dziedzinie robotyki konstruktorskiej – akcelerometr sprawi, że projekt lepiej poradzi sobie z pomiarem i monitorowaniem ruchu, stabilizacją i detekcją kolizji.
Właściwie trudno wymienić wszystkie dziedziny, w których akcelerometry są stosowane w aplikacjach do śledzenia ruchu. Pośród nich znajdują się analiza biomechaniczna, monitorowanie aktywności fizycznej i nawigacja inercyjna.
Nic nie stoi na przeszkodzie, aby spróbować eksperymentów na polu projektowania i programowania. Praca z akcelerometrem wymaga integracji sprzętu i oprogramowania, wobec czego możesz uczyć się programowania mikrokontrolerów i platform takich jak Arduino lub Raspberry Pi.
Parametry akcelerometrów
Warto znać mniej oczywiste elementy specyfikacji akcelerometrów niż te, które dotyczą zasilania i poboru prądu.
- Zakres pomiarowy akcelerometru określa maksymalne przyspieszenie, które może być mierzone przez akcelerometr. Wyrażany jest zazwyczaj w jednostkach przyspieszenia, takich jak g lub m/s².
- Rozdzielczość to najmniejsza możliwa zmiana przyspieszenia, którą akcelerometr jest w stanie wykryć. Oczywiście im wyższa rozdzielczość, tym dokładniejsze pomiary.
- Czułość wskazuje na to, jak zmiana przyspieszenia jest przekształcana na zmianę sygnału wyjściowego przez akcelerometr. Wyrażana jest w jednostkach sygnału na jednostkę przyspieszenia, na przykład mV/g.
- Błąd systematyczny, jednocześnie parametr i pojęcie do zapamiętania, to błąd występujący przy wielokrotnym pomiarze danej wielkości w niezmienionych warunkach, który pozostaje stały co do wartości i co do znaku albo zmienia się wedle danej zależności. W przypadku akcelerometrów to stałe przesunięcie sygnału wyjściowego, które może występować nawet w sytuacji braku przyspieszenia. Pożądana jest jego niska wartość.
- Zakres dynamiczny oznacza stosunek maksymalnego przyspieszenia do najmniejszego odczytu, który może być dokładnie zmierzony przez akcelerometr. Im większy zakres dynamiczny, tym większa różnica między największym a najmniejszym sygnałem, który może być zarejestrowany.
- Częstotliwość próbkowania mówi o tym, jak często akcelerometr dokonuje pomiarów przyspieszenia. Wyrażana jest w hercach (Hz) i wpływa na zdolność akcelerometru do rejestrowania szybkich zmian przyspieszenia.
- Stosunek sygnału do szumu (z ang. Signal-to-Noise Ratio, SNR) określa stosunek sygnału pomiarowego do poziomu szumu. Wyższy SNR oznacza lepszą jakość sygnału pomiarowego.
