Akcelerometr – Jak to działa?

Podstawowe informacje o akcelerometrze

Początkowe zastosowanie akcelerometrów ograniczało się do branży motoryzacyjnej, a ściślej mówiąc poduszek powietrznych. Z biegiem czasu wielu producentów urządzeń elektronicznych zaczęło montować akcelerometry w swoich produktach, dzięki czemu oferowały one większe możliwości i szerszy zakres wykorzystania. Wraz z postępem technologii, akcelerometr stawał się coraz mniejszy i bardziej precyzyjny, dzięki czemu jeszcze zwiększał swoje zastosowanie. Jego budowa była stale udoskonalana w kierunku niezawodności i bezproblemowej pracy, nawet w przypadku intensywnej eksploatacji. Obecnie są to elementy elektroniczne cechujące się nie tylko bardzo niską awaryjnością, ale również długą żywotnością, nawet w przypadku częstego użytkowania, dzięki czemu są wykorzystywane w wielu urządzeniach elektronicznych.

Akcelerometr – jak to działa?

Wielu początkujących elektroników i robotyków zastanawia się jak to działa? Po pierwsze warto przypomnieć, że akcelerometr precyzyjnie mierzy przyspieszenie w trzech osiach, czyli X,Y,Z. Przyspieszeniomierze, w zależności od rodzaju, różnią się od siebie budową, jednak zasada działania jest podobna. Wewnątrz akcelerometru znajdują się niewielkie struktury krystaliczne, które są bardzo wrażliwe na każdy, nawet najmniejszy ruch. W momencie gdy on się pojawi, struktury ulegają zniekształceniu, jednocześnie generując napięcie. Przetwornik przyspieszenia błyskawicznie analizuje to napięcie i wykorzystuje je nie tylko do precyzyjnego określania prędkości, ale również do ustalenia orientacji. Akcelerometr rejestruje każde drganie oraz zmianę swojej pozycji, dzięki czemu może być wykorzystywany na wiele sposobów.

Zastosowanie przyspieszeniomierzy w fotografii

Akcelerometry są montowane na szeroką skalę w aparatach fotograficznych i kamerach, a dokładniej rzecz ujmując w mechanizmach odpowiadających za stabilizację obrazu. Wraz z rozwojem fotografii, urządzenia rejestrujące obraz stawały się coraz mniejsze, co dodatkowo zwiększało problemy ze stabilizacją. Mobilni fotografowie i kamerzyści nie zawsze korzystają ze statywów lub gimbali, dlatego producenci starają się, aby wszystkie drgania zostały jak najskuteczniej zniwelowane. Zastosowanie akcelerometru sprawiło, że urządzenia rejestrujące obraz stały się jeszcze bardziej wydajne i użyteczne. Przyspieszeniomierz wbudowany w aparat umożliwia wykonanie ostrych zdjęć nawet w biegu. Wielu początkujących fotografów często boryka się z nieostrą fotografią, która w większości przypadków nie nadaje się do obróbki i dalszego wykorzystania. W przypadku kamer, przyspieszeniomierz niweluje wszystkie drgania, które z ręki kamerzysty przenoszą się na urządzenie. Skuteczna stabilizacja sprawia, że nawet ujęcia nagrywane bez żadnego systemu wspomagania stabilizacji, w postaci statywów lub gimbali charakteryzują się płynnością i brakiem rozmazań obrazu. W sytuacji gdy przyspieszeniomierz wykryje wibracje, błyskawicznie przesyła sygnał do miniaturowych silników, które stabilizują obraz.

Akcelerometr w smartfonie

Nowoczesne smartfony to kolejna grupa urządzeń, w których montowane są przyspieszeniomierze. Dzięki swoim właściwościom, akcelerometry sprawiają, że telefon może stać się kontrolerem, który jest wykorzystany m.in. w grach. Użytkownicy smartfonów upodobali sobie szczególnie gry wyścigowe, w których smartfon zmienia się w kierownicę samochodu lub motocykla. Przetwornik przyspieszenia pozwala lepiej wczuć się w klimat gry i poczuć prawdziwe sportowe emocje. Ponadto, akcelerometr umożliwia również zmianę orientacji obrazu, w przypadku gdy użytkownik zmieni pozycję smartfona z poziomej na pionową lub odwrotnie (oczywiście w przypadku gdy ta opcja nie jest zablokowana). Możliwości akcelerometru wykorzystują także różnego rodzaju aplikacje. Jedną z nich jest krokomierz, który szczególnie polubiły osoby dbające o sylwetkę i prowadzące aktywny styl życia.

Przyspieszeniomierze w dronach

Bezzałogowe statki powietrzne popularnie nazywane dronami z roku na rok zyskują coraz większą popularność. Urządzenia tego typu są wykorzystywane zarówno przez hobbystów, jak i osoby zawodowo zajmujące się rejestrowaniem obrazu. Obecnie drony są wyposażone w kamery charakteryzujące się wysoką rozdzielczością, dzięki czemu nagrywany obraz wyróżnia się ogromną liczbą szczegółów. Ponadto, zastosowanie jasnych obiektywów sprawia, że drony rejestrują piękne ujęcia nawet w trudnych warunkach oświetleniowych. Należy jednak pamiętać, że nawet najlepszy sprzęt nie będzie w stanie nagrać dobrego materiału, jeżeli dron nie będzie stabilny. Bezzałogowe statki powietrzne są stosunkowo lekkie, niejednokrotnie ważą mniej niż 500 gramów, dlatego bez skutecznie działającego systemu stabilizującego wszystkie ujęcia byłyby rozmazane. Jednym z elementów tego systemu jest właśnie akcelerometr, który jest odpowiedzialny za szczegółowy pomiar przyspieszenia liniowego i kątowego. Dzięki niemu, dron nawet w wietrzne dni jest w stanie nie tylko stabilnie latać, ale również zawisnąć w miejscu wskazanym przez operatora.

Przetworniki przyspieszenia w smartwatchach i smartbandach

Inteligentne zegarki i opaski, z roku na rok zyskują coraz większą popularność. Korzystają z nich nie tylko osoby uprawiające sport, ale również ceniące nowoczesny design. Jedną z interesujących opcji oferowanych przez urządzenia tego typu jest automatyczne podświetlanie ekranu w momencie podnoszenia ręki i zerkania na zegarek lub opaskę. Ta z pozoru mało istotna funkcja jest niezwykle przydatna w nocy. Kolejną bardzo interesującą funkcją w smartwatchach jest precyzyjne mierzenie różnego rodzaju aktywności sportowych. Wbudowany akcelerometr w inteligentnej opasce lub zegarku wyczuwa wszystkie, nawet najbardziej delikatne drgania, dzięki czemu jest w stanie przekazywać dokładne informacje użytkownikowi. Te właściwości przydają się m.in. podczas trenowania biegania lub np. skakania na skakance.

Akcelerometry w laptopach

Mało osób wie, że przyspieszeniomierze są instalowane również w laptopach. Akcelerometry w komputerach przenośnych przede wszystkim pełnią funkcje ochronne. Jak to działa w praktyce? Najbardziej podatny na wstrząsy, wibracje oraz uszkodzenia mechaniczne jest nadal popularny talerzowy dysk twardy, czyli HDD. Dysk w trakcie swojej pracy obraca się z bardzo dużą prędkością, dochodzącą nawet do kilku tysięcy obrotów na minutę. Warto wiedzieć, że nawet najmniejsze zarysowania na powierzchni dysku sprawiają, że aplikacje wolniej się wczytują, a cały system może się zawieszać. W sytuacji, gdy laptop wyślizgnie się nam z rąk lub spadnie z biurka, akcelerometr wykryje ruch urządzenia i błyskawicznie prześle sygnał do systemu sterującego pracą dysku twardego o konieczności natychmiastowego zakończenia pracy. W ten sposób ryzyko uszkodzenia dysku twardego jest ograniczone do minimum. Dzięki nowoczesnym przetwornikom przyspieszenia, cała czynność odbywa się w ułamku sekundy.

Przetworniki przyspieszenia i minikomputery

Cyfrowe akcelerometry, dzięki niewielkim rozmiarom i bardzo niskiej wadze, mogą być montowane nawet w trudno dostępnych miejscach. W profesjonalnych sklepach dla elektroników i robotyków można znaleźć szeroki wybór przetworników przyspieszenia, kompatybilnych ze wszystkimi najpopularniejszymi mini komputerami. Akcelerometry tego typu mogą być zasilane napięciem charakteryzującym się szerokim zakresem, które może być precyzyjnie regulowane. Co więcej, cyfrowe przetworniki przyspieszenia wyróżniają się bardzo niskim poborem energii elektrycznej, co dodatkowo zwiększa możliwości ich zastosowania. W zależności od konkretnego modelu oraz producenta, akcelerometr może komunikować się za pomocą magistrali 12C i SPI. Kolejną zaletą czujników mierzących przyspieszenie osiowe i liniowe jest szeroki zakres temperatury roboczej, gwarantujący stabilną i bezproblemową pracę w praktycznie każdych warunkach. Przyspieszeniomierze można bez problemu wykorzystywać zarówno w bardzo niskich, jak i bardzo wysokich temperaturach. Pomimo szerokich możliwości, akcelerometry charakteryzują się prostą i intuicyjną obsługą, dzięki czemu mogą być używane nie tylko przez doświadczonych, ale również początkujących elektroników, robotyków i hobbystów.

Akcelerometry w robotyce

Kolejną dziedziną nauki, w której niezwykle popularne są przyspieszeniomierze jest nieustannie rozwijająca się robotyka. Do niedawna roboty były wykorzystywane głównie w fabrykach do ciężkich lub precyzyjnych prac. Obecnie roboty są wysyłane w kosmos i patrolują ulice miast. W północnych Chinach lokalnych policjantów wspierają aż 3 różne typy robotów, które ostrzegają uczestników ruchu drogowego o niebezpieczeństwach i utrudnieniach na drodze. Docelowo urządzenia mają kierować ruchem, dzięki czemu znacząco ma zwiększyć się przepustowość ulic i skrzyżowań. Większość robotów, które samodzielnie się poruszają lub są sterowane, jest wyposażona w akcelerometry, precyzyjnie mierzące przyspieszenie w trzech osiach. Zastosowanie m.in. przyspieszeniomierzy ogranicza do minimum możliwość przewrócenia, a w konsekwencji uszkodzenia robota.

Przyspieszeniomierze w deskorolkach elektrycznych

Kolejnym urządzeniem, w którym są montowane akcelerometry jest deskorolka elektryczna, która stała się niezwykle popularnym środkiem transportu, szczególnie w zatłoczonych i zakorkowanych miastach. Sercem urządzeń tego typu jest wydajny akumulator litowo-jonowy, który charakteryzuje się dużą pojemnością. Ogniwo nie tylko pozwala rozpędzić się, w zależności od producenta oraz konkretnego modelu, od kilkunastu do kilkudziesięciu kilometrów na godzinę, ale również gwarantuje duży zasięg, nierzadko przekraczający 20 km. Aby jazda na deskorolce była bezpieczna, cała konstrukcja musi wyróżniać się stabilnością. Do pomiaru przyspieszeń w urządzeniach tego typu stosuje się akcelerometry, które błyskawicznie przekazują zebrane informacje do kontrolera.

Zastosowanie przyspieszeniomierzy w przyszłości 

Obecnie trwają już bardzo zaawansowane prace nad wykorzystaniem akcelerometrów do zdalnego sterowania maszynami. Połączone siły automatyków, robotyków i elektroników konstruują i testują systemy, które umożliwiają m.in. precyzyjne odwzorowanie ruchów ludzkiej dłoni. W projektach tego typu wykorzystywane są m.in. akcelerometry, które mogą być umieszczone m.in. na rękawicy odpowiedzialnej za sterowanie robotem. Do czego można wykorzystać taką technologię? Przede wszystkim tego typu roboty mogłyby sprawdzać niebezpieczne ładunki, co do których zachodzi prawdopodobieństwo, że zawierają materiały wybuchowe. Co więcej, ta technologia mogłaby również być wykorzystywana w medycynie, w celu przeprowadzania zdalnych zabiegów i operacji. Roboty wyposażone w akcelerometry mogłyby być także wykorzystywane w ratownictwie.

Czym różni się akcelerometr od żyroskopu?

W elektronice i robotyce mamy do czynienia z wieloma czujnikami, dzięki którym możemy otrzymywać precyzyjne informacje z otoczenia. Wielu początkujących majsterkowiczów myli akcelerometr z żyroskopem, choć ich zasada działania znacząco się od siebie różni. Żyroskop został wynaleziony w 1852 roku przez francuskiego fizyka, astronoma i odkrywcę m.in. prądów wirowych. Jean Bernard Léon Foucault, bo o nim tutaj mowa, jako jeden z pierwszych zmierzył prędkość światła w powietrzu oraz wodzie. Ponadto, zbudował pryzmat oraz fotometr, czyli urządzenia umożliwiające wykonywanie precyzyjnych pomiarów m.in. natężenia światła. Początkujące osoby często zadają sobie pytanie, jak to działa? Żyroskop określa orientację przy pomocy ziemskiej grawitacji. Jego budowa opiera się o wolno obracający się dysk, nazywany również wirnikiem, który jest zamontowany wewnątrz większego koła, charakteryzującego się większą stabilnością. Podczas obrotu, wirnik pozostaje nieruchomy i precyzyjne wskazuje centralne przyciąganie grawitacyjne. Akcelerometr natomiast mierzy swój ruch, dzięki czemu jest montowany w różnego rodzaju urządzeniach elektronicznych.

Czym kierować się wybierając konkretny akcelerometr?

Największy wybór przetworników przyspieszenia można znaleźć w specjalistycznych sklepach dla elektroników i robotyków. Osobom, które dopiero zaczynają swoją przygodę z tymi dziedzinami nauki zaleca się konsultację z wyspecjalizowanymi pracownikami sklepu, którzy pomogą w wyborze odpowiedniego modelu, dopasowanego do konkretnych wymagań projektowych. Pierwszym parametrem technicznym, na który należy zwrócić szczególną uwagę jest zakres pomiaru, który jest wyrażony w G. Ten parametr należy dopasować do swojego projektu i sposobu wykorzystania przetwornika przyspieszenia. Kolejną istotną kwestią jest zasilanie, a ściślej rzecz ujmując: zakres napięcia oraz napięcie wyprowadzeń. W przypadku gdy akcelerometr będzie podłączony np. do minikomputera Arduino, należy wybrać model z tożsamym napięciem. W przeciwnym przypadku trzeba będzie bowiem użyć konwertera. Warto sprawdzić, czy akcelerometr ma również wspomniany wcześniej regulator napięcia. Ponadto, istotna jest także rozdzielczość, która jest wyrażana w bitach dla każdej osi. W profesjonalnych sklepach można znaleźć zestawy czujników, w skład których, oprócz akcelerometru, wchodzi też żyroskop, magnetometr, kompas, a nawet wysokościomierz. Zestawy tego typu gwarantują ogromną ilość niezwykle przydatnych informacji, które mogą być wykorzystywane do różnych celów. Pomimo zaawansowanej konstrukcji, zestawy także charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, dzięki czemu mogą być zamontowane w wielu urządzeniach elektronicznych. Ze względu na niezwykle szybki rozwój elektroniki oraz robotyki, akcelerometry będą montowane w coraz większej liczbie urządzeń.