Основной принцип работы элемента мало чем отличается от стандартного — изменение положения инерционной массы определяет величину смещения, на основе которого рассчитываются значения положения устройства. Такие датчики можно найти практически во всех типах мобильных устройств, будь то телефон или планшет.
Акселерометр в телефоне – что это такое
Современные смартфоны — это подвиг инженерной мысли, наполненный крошечными датчиками, чипами, сенсорами, один из которых отвечает за изменения в пространстве и скорость объекта или его ускорение. Акселерометр: что это такое в вашем телефоне, как он работает и зачем он нужен, узнайте здесь.
Акселерометр — это электромеханическое устройство, используемое для измерения силы ускорения. Эти силы могут быть статическими, например, постоянная сила тяжести, или, как во многих мобильных устройствах, динамическими — для обнаружения движения или вибрации.
Из всех компонентов смартфона акселерометр является, пожалуй, самым технологически интересным, но и самым недооцененным устройством. Если вы хотите, чтобы изображение на смартфоне отображалось горизонтально или вертикально, достаточно повернуть устройство. Вы когда-нибудь задумывались, как устройство определяет, что оно наклонено в ту или иную сторону? Акселерометр вашего телефона отвечает за правильную реакцию на вращение тела.
Акселерометры состоят из трех основных компонентов:
- Корпус: он перемещается вместе с устройством, на котором установлен. Он является основанием датчика и движется с той же скоростью, что и устройство,
- Подвижная часть: она перемещается, когда корпус перемещается относительно основания акселерометра. Степень смещения зависит от наклона устройства,
- Датчики: они отслеживают, насколько подвижная часть переместилась, и предоставляют информацию программному обеспечению.
Принципиальная схема простого акселерометра
В смартфонах акселерометры установлены на печатной плате и представляют собой крошечный черный квадрат с инерционной массой, отклонение которого фиксируется датчиками.
Соотношение между акселерометром и одноцентовой монетой
Типы акселерометров
В смартфонах обычно используются два типа акселерометров: пьезоэлектрический и емкостной. Оба варианта звучат очень сложно, но на практике они довольно просты.
В качестве примера возьмем емкостные акселерометры. Знаете ли вы игры с шариковым лабиринтом? Представьте один из них в виде пустого квадрата без разделительных линий. Когда вы наклоняете его, шарик опрокидывается и ударяется об одну сторону, срабатывает датчик. Конечно, у смартфонов нет маленьких лабиринтов, но у них есть нечто похожее. Вместо мяча они используют сетку или груз, прикрепленный к опорам. Когда смартфон двигается, сетка слегка перемещается и тянет за собой опору. Между секциями сетки находятся маленькие «пальчики», которые чувствуют, где находится сетка, и обнаруживают любое движение.
В зависимости от осей, по которым перемещается подвижная часть акселерометра, различают одноосные (вверх/вниз), двухосные (вверх/вниз, вправо/влево) и трехосные (вверх/вниз, вправо/влево, вкл/выкл).
Координатные оси в режиме акселерометра
Пьезоэлектрический акселерометр — это устройство, которое определяет пространственную ориентацию устройства на основе пьезоэлектрического эффекта.
Представьте, что вы стоите спиной к стене и держите матрас на расстоянии вытянутой руки с закрытыми глазами. Вы не видите матрас, но чувствуете, как он движется. Если вы толкаете или тянете матрас, это вызывает напряжение в руках. Вы чувствуете, что матрас либо удаляется от вас, либо приближается к вам.
Пьезоэлектрические акселерометры работают аналогичным образом. Они работают с механизмом, который толкает и тянет проводник, который, в свою очередь, дает ток в зависимости от приложенного напряжения. Именно степень генерируемого напряжения измеряет перемещение устройства в системе координат.
Применение акселерометров в смартфонах
В век цифровизации акселерометр является незаменимым элементом смартфона, без которого функциональность устройства была бы неполной. Apple, кстати, встроила его во все устройства iPhone, iPad и iPod, начиная с 4-го поколения.
Давайте выясним, для чего используется акселерометр в мобильном устройстве.
- Изменение ориентации мобильного приложения. Цифровые помощники, аудио- и видеоплееры используют акселерометр для управления пользовательским интерфейсом мобильного приложения. Он регулирует ориентацию контента и делает его удобным для пользователя.
- Поскольку акселерометр смартфона регистрирует движения, он используется в качестве шагомера для подсчета шагов и скорости. Это позволяет детально проанализировать, сколько калорий было сожжено, сколько километров пройдено, с какой скоростью движется объект и т.д. Датчик часто используется в приложениях для здоровья и фитнеса, а также в спортивных приложениях.
- Некоторые устройства используют акселерометр в качестве датчика наклона, чтобы избежать дрожания камеры при съемке фотографий, управлять жестами смартфона (например, поворот смартфона для отключения звука входящих вызовов), играть в аркадные игры, управляя скоростью движения с помощью угла наклона устройства, и т.д.
Навигация в играх
- В навигационных приложениях — определяет положение объекта в пространстве, его скорость и даже рельеф местности.
Приложение для отслеживания движения
- В аварийных ситуациях (отказ устройства) система защиты активируется автоматически. Например, некоторые смартфоны «прячут» выдвижную камеру selfie при обнаружении внезапной потери высоты.
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему такой простой прибор, как акселерометр, является неотъемлемой частью аэрокосмических навигационных приборов? Спидометры, видеокамеры, умные часы, промышленное оборудование, информационные технологии — все эти приборы и оборудование также работают с устройствами, имеющими в своем составе акселерометры.
При необходимости акселерометр можно отключить через меню настроек. Это может понадобиться, если функция поворота экрана не нужна или мешает выполнению определенных задач.
Интересно, что другой датчик, гироскоп, непосредственно отвечает за угол наклона устройства. Он записывает данные о положении смартфона по отношению к земле. Обычно гироскоп объединяется с акселерометром и усиливает данные в шестиосевую систему координат.
Если эти меры не помогают и не улучшают работу устройства, следует выполнить сброс или форматирование. Однако перед выполнением операции необходимо скопировать информацию и файлы с телефона на компьютер или перенести их в облачное хранилище.
Для чего нужен акселерометр в смартфоне
Сенсор значительно расширяет возможности смартфона. Ниже перечислены основные функции, за которые он отвечает.
- Он автоматически меняет ориентацию экрана при повороте устройства.
- Управление игрой с помощью наклона экрана.
- Реагируйте на определенные жесты и выполняйте соответствующие действия (смена музыкального трека, отключение звука будильника или отклонение вызова). Примеры жестов: постукивание или встряхивание корпусом, откладывание смартфона.
- Отслеживание и визуализация изменений положения человека в пространстве с помощью навигационных приложений (Google Maps и т.д.).
- Способность контролировать физическую активность. Классический пример — измерение пройденного расстояния с помощью шагомера.
Как работает акселерометр, принцип его строения
На следующем рисунке показан схематический чертеж простейшего акселерометра.
Он состоит из инерционной массы (в данном примере гири), прикрепленной к подвижному, упругому элементу (например, пружине). Пружина, в свою очередь, крепится к неподвижной части. Для подавления колебаний веса используется демпфер. Когда объект, к которому прикреплен акселерометр, шатается, наклоняется или вращается, инерционная масса реагирует на инерционную силу. По мере увеличения интенсивности и силы наклона, поворота или раскачивания увеличивается радиус прогиба пружины.
Затем гиря возвращается в прежнее положение благодаря пружине. Специальный датчик регистрирует степень смещения инерционной массы из ее «положения покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал и передаются в электронное и программное обеспечение для обработки. Благодаря полученным данным, программное обеспечение способно «вычислить» изменения в физических изменениях положения объекта.
Существует также понятие оси чувствительности устройства. Если имеется только одна ось, датчик может передавать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Для повышения чувствительности датчика и получения точных данных о силе и направлении наклона объекта необходимы две, а лучше три оси. Объединив три оси в одном устройстве, можно рассчитать положение объекта в трехмерном пространстве.
Акселерометр в смартфонах
По техническим и другим причинам конструкция датчика, описанная выше, не подходит для мобильных устройств. Его заменяет крошечный чип с инерционной массой внутри.
Функция чипа аналогична функции классического датчика: инерционная масса изменяет свое положение при ускорении. Это позволяет определить положение смартфона в пространстве. Но между классическими устройствами и чипами есть большая разница не только в конструкции, но и в способе производства.
Схематическое изображение датчика ускорения в смартфоне
Производство таких датчиков — полностью автоматизированный процесс. В результате химической реакции между силиконом и другими элементами получается функциональная копия. Этот процесс требует максимально возможной точности в расчетах и соотношениях. Сделать это вручную, путем физического воздействия на материалы, практически невозможно.
