Επιταχυνσιόμετρο σε τηλέφωνο: τι είναι; Επιταχυνσιόμετρο: τι είναι και πώς λειτουργεί στη σύγχρονη τεχνολογία

Τώρα είναι δύσκολο να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς smartphone και tablet. Και από χρόνο σε χρόνο γίνονται όλο και πιο τέλειοι. Η ποσότητα της μνήμης RAM αυξάνεται, ο αριθμός των πυρήνων του επεξεργαστή προστίθεται (και η συχνότητά τους αυξάνεται), οι επεξεργαστές γραφικών εγκαθίστανται για επεξεργασία γραφικών (συμπεριλαμβανομένου του 3D), οι κάμερες γίνονται διπλές, γεγονός που σας επιτρέπει να τραβάτε καθαρές φωτογραφίες σε υψηλή ανάλυση, οι οθόνες γίνονται πιο τέλειο, και πολλά άλλα. Επιπλέον, πρέπει να σημειωθεί ότι όλες αυτές οι τελειότητες συσκευάζονται σε ένα αρκετά λεπτό σώμα λίγων χιλιοστών. Υπάρχουν όμως δύο μικρές λεπτομέρειες που κανένα smartphone ή tablet δεν μπορεί να κάνει χωρίς - αισθητήρες επιταχυνσιόμετρου και γυροσκόπιου. Ωστόσο, εγκαθίστανται και σε άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, για παράδειγμα, τετρακόπτερα. Είναι εγκατεστημένα ακόμη και σε ορισμένους σκληρούς δίσκους. Ας δούμε τι είναι ένα επιταχυνσιόμετρο σε ένα τηλέφωνο, πώς λειτουργεί και σε τι χρησιμοποιείται.

Χρήση αισθητήρα γκαζιού σε τηλέφωνο

Το επιταχυνσιόμετρο σε ένα τηλέφωνο είναι αυτό που σας επιτρέπει να μετρήσετε τη φαινόμενη επιτάχυνση (δηλαδή τη διαφορά μεταξύ της πραγματικής και της βαρυτικής επιτάχυνσης της συσκευής). Επιτρέπει στο λογισμικό να «αισθάνεται» την κίνηση του smartphone στο διάστημα και επίσης να ελέγχει τη συσκευή περιστρέφοντας, κουνώντας ή ακόμα και πατώντας. Για παράδειγμα, η αλλαγή του προσανατολισμού της οθόνης κατά την περιστροφή του smartphone πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τον ενσωματωμένο αισθητήρα επιταχυνσιόμετρου. Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ορισμένων παιχνιδιών, για παράδειγμα, Doodle Jump. Σε αυτό, ο κύριος χαρακτήρας πηδά στις πλατφόρμες και το καθήκον σας είναι να τον ελέγξετε γυρίζοντας το τηλέφωνό σας αριστερά ή δεξιά.

Έτσι, ο αισθητήρας επιταχυνσιόμετρου σε ένα τηλέφωνο χρησιμοποιείται κυρίως για τις ακόλουθες εργασίες:

• Αυτόματη περιστροφή οθόνης;
• Έλεγχος σε ορισμένα παιχνίδια με κλίση της συσκευής.
• Παρακολούθηση σωματικής δραστηριότητας (για παράδειγμα, μέτρηση βημάτων κατά το περπάτημα ή την άσκηση).
• Ελέγξτε το smartphone σας (ή ορισμένες εφαρμογές) χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένες χειρονομίες όπως κούνημα, περιστροφή κ.λπ.

Ο σχεδιασμός και η αρχή λειτουργίας του επιταχυνσιόμετρου

Εξωτερικά, το επιταχυνσιόμετρο είναι ένας πολύ μικροσκοπικός αισθητήρας, περίπου στο μέγεθος μιας κεφαλής σπίρτου.

Η συσκευή αισθητήρα είναι αρκετά απλή. Αποτελείται απο:

• Ελατήρια (το οποίο είναι προσαρτημένο στο σταθερό μέρος).
• Μάζες;
• Αποσβεστήρας.

Ο αποσβεστήρας είναι απαραίτητος για την απόσβεση των φυσικών κραδασμών του βάρους (μάζας). Όταν η θέση της συσκευής αλλάζει ή περιστρέφεται, το ελατήριο παραμορφώνεται. Όλα αυτά καταγράφονται και μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα και στη συνέχεια επεξεργάζονται χρησιμοποιώντας προγράμματα.

Αλλά μόνο ένας άξονας λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Για να μπορέσει το τηλέφωνο να πλοηγηθεί στον τρισδιάστατο χώρο, προστίθενται δύο ακόμη άξονες (υπάρχουν τρεις συνολικά). Το αποτέλεσμα είναι ένα είδος γυροσκόπιου.

Παραπάνω εξετάσαμε τις αρχές με τις οποίες λειτουργεί το επιταχυνσιόμετρο και από ποια μέρη αποτελείται. Είναι σαφές ότι δεν μπορείτε να χωρέσετε ένα τέτοιο σχέδιο σε ένα λεπτό smartphone. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί ανέπτυξαν μια ειδική μινιατούρα έκδοση. Τακτοποιείται ως εξής:

Εν ολίγοις, λειτουργεί ως εξής: ένα ειδικό χώρισμα με τις επαφές παραμερισμένες είναι στερεωμένο σε ένα σταθερό σώμα (το ίδιο το σώμα βρίσκεται σε ελαστικά εξαρτήματα). Οι ίδιες οι βρύσες τοποθετούνται μεταξύ των επαφών, οι οποίες λαμβάνουν μετρήσεις των αλλαγών στην ένταση του πεδίου. Η παραγωγή τέτοιων αισθητήρων πραγματοποιείται σε ειδικό εξοπλισμό.

Πιθανότατα έχετε ακούσει περισσότερες από μία φορές ότι πολλά smartphone είναι εξοπλισμένα με επιταχυνσιόμετρο. Λέμε στους άπειρους χρήστες τι είναι και γιατί χρειάζεται.

Να το θέσω απλά σε καθαρή γλώσσα, ένα επιταχυνσιόμετρο (ονομάζεται επίσης αισθητήρας G) είναι ένας αισθητήρας που καθορίζει τη γωνία κλίσης ενός smartphone ή tablet σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Μετρά την επιτάχυνση χαρτογραφώντας τρεις χωρικούς άξονες συντεταγμένων: X (πλάτος), Y (μήκος) και Z (ύψος).

Το λογισμικό του gadget αλλάζει τον προσανατολισμό της οθόνης του τηλεφώνου με βάση τα δεδομένα του επιταχυνσιόμετρου. Εάν περιστρέψετε μια συσκευή με ενσωματωμένο αισθητήρα G κατά 90 μοίρες, η οθόνη θα αναποδογυρίσει αυτόματα την εικόνα.

Σε ένα smartphone, το επιταχυνσιόμετρο εγκαθίσταται με τη μορφή ενός μικρού τσιπ ή αισθητήρα, αρκετές φορές μικρότερο σε μέγεθος από ένα κέρμα 10 καπίκων. Παρόλα αυτά, παρέχει πολλές από τις δυνατότητες των σύγχρονων συσκευών Android.

Γιατί χρειάζεστε έναν αισθητήρα G;

Οι λάτρεις των σπορ μπορούν να χρησιμοποιήσουν το επιταχυνσιόμετρο για να προσδιορίσουν τον αριθμό των βημάτων που έγιναν χρησιμοποιώντας ειδικές εφαρμογές βηματόμετρου. Μπορούν να ενσωματωθούν στο smartphone ή θα πρέπει να τα κατεβάσετε από το Google Play.

Για τους λάτρεις των εφαρμογών gaming σε smartphone, ο αισθητήρας G είναι ένα θεϊκό δώρο. Θα σας επιτρέψει να ελέγχετε τη διαδικασία του παιχνιδιού γυρίζοντας το smartphone σας. Δεδομένου ότι το επιταχυνσιόμετρο αντιδρά στις παραμικρές αλλαγές στη γωνία κλίσης, η εφαρμογή θα ανταποκρίνεται άμεσα σε κάθε σας ενέργεια. Αυτό ισχύει για παιχνίδια διαφόρων ειδών, ειδικά παιχνίδια αγώνων.

Επίσης, η αυτόματη περιστροφή της οθόνης θα προσθέσει ευκολία κατά την παρακολούθηση ταινιών και φωτογραφιών, καθώς και κατά την ανάγνωση ηλεκτρονικών βιβλίων.

Εάν πηγαίνετε συχνά στο δάσος για να μαζέψετε μανιτάρια ή για άλλους λόγους, να ξέρετε ότι πιθανότατα έχετε μια πυξίδα στην τσέπη σας. Συνήθως, αυτή είναι μια προεγκατεστημένη εφαρμογή που λειτουργεί χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα G.

Με την εγκατάσταση της εφαρμογής "επίπεδο", μπορείτε να ξεχάσετε την ογκώδη συσκευή κατασκευής. Και εδώ είναι όλα σχετικά με το επιταχυνσιόμετρο - θα σας επιτρέψει να προσδιορίσετε την ομαλότητα του τοίχου ή την ακριβή γωνία της κλίσης του.

Φυσικά, αν δεν τα χρησιμοποιήσετε όλα αυτά, το επιταχυνσιόμετρο θα σας ενοχλήσει ακόμη και λίγο αλλάζοντας συνεχώς τον προσανατολισμό της οθόνης. Αλλά μπορείτε πάντα να το απενεργοποιήσετε μεταβαίνοντας στις ρυθμίσεις οθόνης.

συμπέρασμα

Παρά το μέτριο μέγεθός του, το επιταχυνσιόμετρο προσθέτει πολλές διαφορετικές δυνατότητες στα smartphone. Για το λόγο αυτό, οι κατασκευαστές εξοπλίζουν τις περισσότερες σύγχρονες συσκευές με αισθητήρα G.

Τι είναι το MEMS; Αυτή η συντομογραφία κρύβει το όνομα «μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα». Είναι μικροσκοπικές συσκευές που περιέχουν μικροηλεκτρονικά και μικρομηχανικά εξαρτήματα. Το ίδιο το όνομα MEMS, ειλικρινά μιλώντας, δεν είναι καθόλου οικείο στους χρήστες. Ωστόσο, καθημερινά χρησιμοποιούμε πολλές συσκευές που βασίζονται σε αυτές τις λύσεις. Το απλούστερο παράδειγμα μικροηλεκτρομηχανικού συστήματος είναι το επιταχυνσιόμετρο, το οποίο χρησιμοποιείται σε όλα τα σύγχρονα smartphone, κονσόλες παιχνιδιών και σκληρούς δίσκους. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά άλλα συστήματα, η χρήση των οποίων δεν περιορίζεται σε καμία περίπτωση στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Οι λύσεις που βασίζονται σε MEMS χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία, τη στρατιωτική βιομηχανία και την ιατρική.

Ιστορία και αρχιτεκτονική

Πρώτον, μια μικρή ιστορία. Σε γενικές γραμμές, το 1954 μπορεί να θεωρηθεί η αρχή της ανάπτυξης του MEMS. Τότε ανακαλύφθηκε η πιεζοαντιστική επίδραση του πυριτίου και του γερμανίου, που αποτέλεσε τη βάση των πρώτων αισθητήρων πίεσης και επιτάχυνσης. 20 χρόνια αργότερα - το 1974 - η National Semiconductor ξεκίνησε τη μαζική παραγωγή αισθητήρων πίεσης για πρώτη φορά. Και στη δεκαετία του 1990, η αγορά για μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα αυξήθηκε σημαντικά λόγω της εισαγωγής διαφόρων μικροσκοπικών αισθητήρων στα ηλεκτρονικά αυτοκινήτων.

Στα συστήματα MEMS δίνεται το πρόθεμα «micro» λόγω του μεγέθους τους. Τα εξαρτήματα τέτοιων συσκευών έχουν μεγέθη από 1 έως 100 μικρά και τα μεγέθη τελικών συστημάτων ποικίλλουν από 20 μικρά έως 1 mm.

Αισθητήρας MEMS

Όσον αφορά την αρχιτεκτονική, μια συσκευή MEMS αποτελείται από πολλά μηχανικά στοιχεία που αλληλεπιδρούν και έναν μικροεπεξεργαστή που επεξεργάζεται τα δεδομένα που λαμβάνονται από αυτά τα στοιχεία. Δεν υπάρχει πρότυπο για τα μηχανικά στοιχεία: ο τύπος τους μπορεί να ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον σκοπό μιας συγκεκριμένης συσκευής.

Τόσο το παραδοσιακό πυρίτιο όσο και άλλα υλικά, όπως πολυμερή, μέταλλα και κεραμικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά για την παραγωγή MEMS. Τις περισσότερες φορές, τα μηχανικά συστήματα είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο. Τα κύρια πλεονεκτήματά του βρίσκονται στις φυσικές του ιδιότητες. Έτσι, το πυρίτιο είναι πολύ αξιόπιστο - μπορεί να λειτουργήσει πάνω από τρισεκατομμύρια κύκλους λειτουργίας χωρίς να χαλάσει. Όσο για τα πολυμερή, το καλό με αυτό το υλικό είναι ότι μπορεί να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες και, κυρίως, με πολλά διαφορετικά χαρακτηριστικά για συγκεκριμένες εργασίες. Λοιπόν, τα μέταλλα (χρυσός, χαλκός, αλουμίνιο), με τη σειρά τους, παρέχουν υψηλούς δείκτες αξιοπιστίας, αν και είναι κατώτερα στην ποιότητα των φυσικών τους ιδιοτήτων από το πυρίτιο.

Αξίζει να αναφέρουμε ξεχωριστά υλικά όπως νιτρίδια πυριτίου, αλουμινίου και τιτανίου. Λόγω των ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιούνται ευρέως σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα με πιεζοηλεκτρική αρχιτεκτονική.

Όταν πρόκειται για τεχνολογίες κατασκευής MEMS, χρησιμοποιούνται διάφορες κύριες προσεγγίσεις. Αυτές είναι η ογκομετρική μικροκατεργασία, η μικροκατεργασία επιφανειών, η τεχνολογία LIGA (Litographie, Galvanoformung και Abformung - λιθογραφία, ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, διαμόρφωση) και η χάραξη με βαθιά αντιδραστικά ιόντα. Η μαζική επεξεργασία θεωρείται η πιο οικονομική μέθοδος για την παραγωγή MEMS. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι οι περιττές περιοχές υλικού αφαιρούνται από μια γκοφρέτα πυριτίου με χημική χάραξη, με αποτέλεσμα να παραμένουν μόνο οι απαραίτητοι μηχανισμοί στη γκοφρέτα.

Το αποτέλεσμα λήφθηκε με ογκομετρική επεξεργασία

Η χάραξη με βαθιά αντιδραστικά ιόντα είναι σχεδόν ακριβώς η ίδια διαδικασία με τη χύδην μικρομηχανική, με τη διαφορά ότι η χάραξη πλάσματος χρησιμοποιείται αντί για χημική χάραξη για τη δημιουργία των μηχανισμών. Το ακριβώς αντίθετο από αυτές τις δύο διαδικασίες είναι η διαδικασία μικρομηχανικής επιφανείας, κατά την οποία οι απαραίτητοι μηχανισμοί «καλλιεργούνται» σε μια γκοφρέτα πυριτίου με διαδοχική εναπόθεση λεπτών μεμβρανών. Τέλος, η τεχνολογία LIGA χρησιμοποιεί τεχνικές λιθογραφίας ακτίνων Χ για να δημιουργήσει μηχανισμούς που είναι σημαντικά ψηλότεροι από ό,τι φαρδύ.

Γενικά, όλα τα MEMS μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: αισθητήρες και ενεργοποιητές. Διαφέρουν ως προς την αρχή της λειτουργίας τους. Εάν το καθήκον του αισθητήρα είναι να μετατρέπει τις φυσικές επιρροές σε ηλεκτρικά σήματα, τότε ο ενεργοποιητής κάνει την ακριβώς αντίθετη δουλειά, μετατρέποντας το σήμα σε κάποιο είδος δράσης. Το ίδιο επιταχυνσιόμετρο είναι ένας αισθητήρας και ένα παράδειγμα συσκευής που χρησιμοποιεί ενεργοποιητές είναι ένας προβολέας DLP (Digital Light Processing).

Ο προβολέας BenQ DLP χρησιμοποιεί ενεργοποιητές

Λοιπόν, τώρα θα μιλήσουμε για κάθε συσκευή ξεχωριστά.

Επιταχυνσιόμετρα

Η πιο κοινή συσκευή MEMS είναι το επιταχυνσιόμετρο. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το εύρος της χρήσης του είναι εξαιρετικά ευρύ. Καλύπτει κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, κονσόλες παιχνιδιών, καθώς και πιο σοβαρές συσκευές όπως αυτοκίνητα. Ο ίδιος ο σκοπός του επιταχυνσιόμετρου είναι να μετρήσει τη φαινομενική επιτάχυνση. Στην περίπτωση των κινητών τηλεφώνων, χρησιμοποιείται για πολλούς σκοπούς. Για παράδειγμα, για να αλλάξετε τον προσανατολισμό της οθόνης. Ή την εκτέλεση οποιωνδήποτε λειτουργιών όταν «κουνάτε» τη συσκευή. Επιπλέον, δεν πρέπει να ξεχνάμε τα παιχνίδια - είναι, ίσως, ο κύριος τομέας εφαρμογής των επιταχυνσιομέτρων. Στις μέρες μας είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ένα «προηγμένο» παιχνίδι που δεν θα ελεγχόταν με την κλίση του τηλεφώνου. Με λίγα λόγια, το επιταχυνσιόμετρο έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος των smartphone. Παρεμπιπτόντως, εγκαταστάθηκε για πρώτη φορά στο κινητό τηλέφωνο Nokia 5500 Χάρη στο επιταχυνσιόμετρο, το τηλέφωνο μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βηματόμετρο. Οι πρωινοί τζόκερ ήταν ενθουσιασμένοι! Αλλά, φυσικά, μόνο μετά την κυκλοφορία του Apple iPhone τα επιταχυνσιόμετρα έφτασαν στο αποκορύφωμα της δημοτικότητάς τους. Και γενικά, το ενδιαφέρον για το MEMS άρχισε να αυξάνεται παράλληλα με την ανάπτυξη των πλατφορμών iOS και Android.

Το Nokia 5500 είναι το πρώτο τηλέφωνο με επιταχυνσιόμετρο

Τα επιταχυνσιόμετρα βρίσκονται επίσης σε διάφορα χειριστήρια κονσόλας παιχνιδιών, είτε πρόκειται για ένα κανονικό gamepad είτε για μια ελαφρώς διαφορετική συσκευή, όπως το χειριστήριο κίνησης PlayStation Move. Παρεμπιπτόντως, το επιταχυνσιόμετρο χρησιμοποιείται επίσης στο πρόσφατα ανακοινωμένο κράνος εικονικής πραγματικότητας Sony Project Morpheus.

Ιδιαίτερη σημασία έχει το επιταχυνσιόμετρο που χρησιμοποιείται στους φορητούς υπολογιστές ή πιο συγκεκριμένα στους σκληρούς δίσκους τους. Όλοι γνωρίζουν ότι οι σκληροί δίσκοι είναι αρκετά εύθραυστες συσκευές και στην περίπτωση των φορητών υπολογιστών, η πιθανότητα να καταστραφούν αυξάνεται σημαντικά. Έτσι, όταν πέσει ένας φορητός υπολογιστής, το επιταχυνσιόμετρο ανιχνεύει μια απότομη αλλαγή στην επιτάχυνση και δίνει εντολή να παρκάρετε το κεφάλι σκληρός δίσκος, αποτρέποντας τόσο τη ζημιά της συσκευής όσο και την απώλεια δεδομένων.

Επιταχυνσιόμετρο InvenSense MPU-6500

Με παρόμοια αρχή, το επιταχυνσιόμετρο επηρεάζει τη λειτουργία ενός DVR αυτοκινήτου. Κατά την απότομη επιτάχυνση, το φρενάρισμα και την αλλαγή λωρίδας του οχήματος, η εγγραφή βίντεο επισημαίνεται με ειδικό μαρκαδόρο, που το προστατεύει από το σβήσιμο και την επανεγγραφή, γεγονός που διευκολύνει σημαντικά την περαιτέρω ανάλυση των τροχαίων ατυχημάτων.

Συνολικά, η μεγαλύτερη και πολλά υποσχόμενη αγορά για επιταχυνσιόμετρα και άλλα MEMS είναι η αυτοκινητοβιομηχανία. Το γεγονός είναι ότι, σε αντίθεση με την αγορά των κινητών συσκευών και των συσκευών παιχνιδιού, όπου τα επιταχυνσιόμετρα χρησιμοποιούνται για ψυχαγωγικούς σκοπούς, στα αυτοκίνητα κυριολεκτικά όλα τα συστήματα ασφαλείας βασίζονται στη λειτουργία του επιταχυνσιόμετρου. Με τη βοήθειά τους, λειτουργούν το σύστημα ενεργοποίησης του αερόσακου, τα φρένα αντιμπλοκαρίσματος, το σύστημα σταθεροποίησης, το προσαρμοστικό cruise control, η προσαρμοστική ανάρτηση, το σύστημα Traction Control - και αυτή δεν είναι μια πλήρης λίστα! Με τους κατασκευαστές αυτοκινήτων να εστιάζουν στην ασφάλεια, η χρήση επιταχυνσιόμετρων και άλλων συσκευών MEMS θα συνεχίσει να αυξάνεται.

Crash test του Opel Vectra. Στη δεκαετία του '90, οι αερόσακοι ήταν συχνά μόνο μια επιλογή

Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι το πεδίο χρήσης του επιταχυνσιόμετρου είναι σαφώς καθορισμένο, οι προγραμματιστές συνεχίζουν να σκέφτονται για ποιους άλλους σκοπούς μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτή η συσκευή. Για παράδειγμα, επιστήμονες από το Εθνικό Ινστιτούτο Γεωφυσικής και Ηφαιστειολογίας της Ιταλίας, Antonio D'Alessandro και Giuseppe D'Anna, πρότειναν τη χρήση του επιταχυνσιόμετρου ενός κινητού τηλεφώνου ως αισθητήρα σεισμού. Πολύ ενδιαφέρον! Οι μελέτες διεξήχθησαν με επιταχυνσιόμετρο iPhone και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με μετρήσεις από έναν πλήρη αισθητήρα σεισμού από την Kinemetrics. Όπως αποδείχθηκε, το κινητό gadget είναι ικανό να ανιχνεύει ισχυρούς σεισμούς με μέγεθος μεγαλύτερο των 5 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ, αλλά μόνο εάν βρίσκεται κοντά στο επίκεντρο των δονήσεων. Τα αποτελέσματα δεν είναι τόσο εντυπωσιακά, αλλά οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι η ευαισθησία των επιταχυνσιομέτρων θα αυξηθεί μόνο και στο μέλλον θα μπορούν να ανιχνεύουν λιγότερο ισχυρούς σεισμούς. Το μόνο ερώτημα που παραμένει είναι: γιατί το επιταχυνσιόμετρο ενός τηλεφώνου να μετράει την ισχύ των δονήσεων όταν υπάρχουν αισθητήρες σεισμού; Το θέμα είναι ότι οι επιστήμονες έθεσαν ως στόχο τη δημιουργία στο μέλλον ενός ολόκληρου δικτύου smartphone σε σεισμικά ενεργές περιοχές. Θεωρητικά, κατά τη διάρκεια σεισμών, δεδομένα από smartphone θα αποστέλλονται σε ένα αναλυτικό κέντρο, το οποίο θα επιτρέψει τον προσδιορισμό των περιοχών που επλήγησαν περισσότερο από την καταστροφή και θα συντονίσει σωστά τις επιχειρήσεις διάσωσης. Η ιδέα είναι κάτι παραπάνω από ενδιαφέρουσα και, το πιο σημαντικό, είναι πραγματικά περιζήτητη σε ορισμένα μέρη του κόσμου, αλλά τώρα είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς θα εφαρμοστεί στην πράξη.

Τώρα ας μιλήσουμε για τον σχεδιασμό του ίδιου του επιταχυνσιόμετρου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι συσκευών ανάλογα με την αρχιτεκτονική τους. Η λειτουργία του επιταχυνσιόμετρου μπορεί να βασίζεται στην αρχή του πυκνωτή. Το κινούμενο μέρος ενός τέτοιου συστήματος είναι ένα συνηθισμένο βάρος που κινείται ανάλογα με την κλίση της συσκευής. Καθώς μετατοπίζεται, αλλάζει η χωρητικότητα του πυκνωτή, δηλαδή αλλάζει η τάση. Με βάση αυτά τα δεδομένα, είναι δυνατό να ληφθεί η μετατόπιση του βάρους, και ταυτόχρονα η επιθυμητή επιτάχυνση.

Επιταχυνσιόμετρο με βάση την αρχή του πυκνωτή. Η φωτογραφία δείχνει πλάκες πυκνωτών, ένα σταθερό μέρος (απόδειξη μάζα) και ένα ελατήριο.

Ο πιο κοινός τύπος επιταχυνσιόμετρων είναι τα πιεζοηλεκτρικά συστήματα. Όπως και στα επιταχυνσιόμετρα πυκνωτών, βασίζονται σε βάρος που ασκεί πίεση σε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο. Υπό πίεση, παράγει ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο καθιστά δυνατό τον υπολογισμό της επιθυμητής επιτάχυνσης, γνωρίζοντας τις παραμέτρους ολόκληρου του συστήματος.

Υπάρχει ένας άλλος τύπος επιταχυνσιόμετρου, το οποίο είναι θεμελιωδώς διαφορετικό από το πυκνωτή και το πιεζοηλεκτρικό. Τέτοια επιταχυνσιόμετρα ονομάζονται θερμικά. Η αρχιτεκτονική τους περιλαμβάνει τη χρήση μιας φυσαλίδας αέρα. Όταν επιταχυνθεί, η φυσαλίδα αποκλίνει από την αρχική της θέση και αυτό καταγράφεται από αισθητήρες. Γνωρίζοντας πόσο κινήθηκε η φυσαλίδα κατά την κίνηση, μπορείτε να υπολογίσετε το μέγεθος της επιτάχυνσης.

Γυροσκόπια

Ένας άλλος ενδιαφέρον αισθητήρας που χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με ένα επιταχυνσιόμετρο είναι ένα γυροσκόπιο. Ο κύριος σκοπός του είναι να μετρήσει τις γωνιακές ταχύτητες σε σχέση με έναν ή περισσότερους άξονες. Στην πραγματικότητα, ο συνδυασμός ενός επιταχυνσιόμετρου και ενός γυροσκόπιου σάς επιτρέπει να παρακολουθείτε και να καταγράφετε την κίνηση σε τρισδιάστατο χώρο.

Η πρώτη φορητή συσκευή που διέθετε γυροσκόπιο ήταν το Apple iPhone 4, μετά το οποίο η παρουσία αυτού του MEMS έγινε σχεδόν υποχρεωτική απαίτηση για οποιοδήποτε smartphone. Οι χρήστες ήταν σε θέση να αξιολογήσουν τη λειτουργικότητα του γυροσκόπιου σε πολλά παιχνίδια για κινητά, όπου εμφανίστηκε ένα κουμπί λήψης αντί για ένα από τα δύο εικονικά joystick. Λοιπόν, έπρεπε ήδη να στοχεύσετε τοποθετώντας το smartphone στο διάστημα, κάτι που έγινε δυνατό χάρη στην παρουσία ενός γυροσκόπιου.

Γυροσκόπιο που χρησιμοποιείται στο Apple iPhone 4

Εκτός από φορητές συσκευές, γυροσκόπια υπάρχουν σε χειριστήρια για κονσόλες παιχνιδιών PlayStation, Xbox και Wii, όπου λειτουργούν μαζί με επιταχυνσιόμετρα. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται επίσης σε κάμερες για οπτική σταθεροποίηση για λήψη εικόνων υψηλής ποιότητας.

Η αρχιτεκτονική των γυροσκοπίων είναι από πολλές απόψεις παρόμοια με αυτή των επιταχυνσιομέτρων. Πολλές από αυτές τις συσκευές έχουν δομή πυκνωτή. Αυτό το σχέδιο, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στα προϊόντα της από την STMicroelectronics. Το γυροσκόπιό τους βασίζεται σε ένα μηχανικό στοιχείο που λειτουργεί με την αρχή του συντονιστικού πιρουνιού και χρησιμοποιεί το φαινόμενο Coriolis για να μετατρέψει τη γωνιακή ταχύτητα σε κίνηση μιας ευαίσθητης δομής. Ας εξηγήσουμε λίγο αυτή τη διαδικασία.

Οι δύο κινούμενες μάζες βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, σε αντίθετες κατευθύνσεις, οι οποίες υποδεικνύονται με μπλε χρώμα στο σχήμα. Όταν η γωνιακή ταχύτητα αλλάζει, η δύναμη Coriolis, που υποδεικνύεται με κίτρινο, αρχίζει να ενεργεί. Σε αυτή την περίπτωση, η κατεύθυνση της δύναμης Coriolis είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης της μάζας. Η δύναμη Coriolis προκαλεί μετατόπιση μαζών ανάλογη με το μέγεθος της γωνιακής ταχύτητας. Δεδομένου ότι το σύστημα έχει δομή πυκνωτή, οποιαδήποτε μετατόπιση προκαλεί αλλαγή στην ηλεκτρική χωρητικότητα. Και έτσι η γωνιακή ταχύτητα μετατρέπεται σε ηλεκτρική παράμετρο. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι χάρη στη χρήση ειδικών πιρουνιών συντονισμού, τα γυροσκόπια STMicroelectronics δεν είναι ευαίσθητα σε τυχαίους κραδασμούς. Με μια τέτοια ανεπιθύμητη επίδραση στις κινούμενες μάζες, θα μετατοπιστούν και οι δύο προς την ίδια κατεύθυνση, με αποτέλεσμα να μην αλλάξει η χωρητικότητα του πυκνωτή.

Έτσι μοιάζει ένα τσιπ γυροσκόπιου κατασκευασμένο από την STMicroelectronics

Μαγνητόμετρα και βαρόμετρα

Ένα άλλο ενδιαφέρον μικροηλεκτρομηχανικό σύστημα είναι ένα μαγνητόμετρο. Όπως μια κανονική μαγνητική πυξίδα, παρακολουθεί τον προσανατολισμό της συσκευής στο διάστημα σε σχέση με τους μαγνητικούς πόλους της Γης. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές χαρτογράφησης και πλοήγησης.

Εκτός από ένα μαγνητόμετρο, χρησιμοποιείται συχνά ένα βαρόμετρο MEMS. Το βαρόμετρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο Samsung Galaxy Nexus, που κυκλοφόρησε το 2011. Και πάλι, η λειτουργικότητά του δεν διαφέρει από την παραδοσιακή - μετρά την ατμοσφαιρική πίεση στην τρέχουσα θέση της συσκευής. Ταυτόχρονα, το βαρόμετρο μειώνει τον χρόνο που χρειάζεται για τη σύνδεση στο σύστημα GPS. Η ίδια η ουσία της λειτουργίας του αισθητήρα είναι να συγκρίνει την εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση σε σχέση με τον θάλαμο κενού μέσα στον ίδιο τον αισθητήρα. Αυτό σας επιτρέπει να προσδιορίσετε τη θέση του χρήστη με ακρίβεια 50 cm σε ύψος και επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες πλοήγησης του χρήστη, καθώς σας επιτρέπει επίσης να προσδιορίσετε την κατακόρυφη τοποθεσία. Για παράδειγμα, ένα κινητό τηλέφωνο με βαρόμετρο θα σας βοηθήσει να προσδιορίσετε τη διαδρομή σας σε οποιονδήποτε όροφο ενός εμπορικού κέντρου, την οποία το σύστημα GPS δεν μπορεί να αντιμετωπίσει, υποδεικνύοντας μόνο τη θέση στο αεροπλάνο.

Ο όρος «επιταχυνσιόμετρο» προέρχεται από το λατινικό accelero, που σημαίνει «επιταχύνω». Το επιταχυνσιόμετρο είναι μια συσκευή που μετρά τη φαινόμενη επιτάχυνση. Με άλλα λόγια, έχει σχεδιαστεί για να βοηθά το λογισμικό smartphone να προσδιορίζει τη θέση καθώς και την απόσταση που κινείται η κινητή συσκευή στο διάστημα.

Αυτός ο αισθητήρας συχνά συγχέεται με ένα γυροσκόπιο. Ωστόσο, αυτοί είναι διαφορετικοί αισθητήρες, αν και αλληλοσυμπληρώνονται και μπορούν ακόμη και να εκτελέσουν τις ίδιες λειτουργίες. Η διαφορά τους έγκειται στην αρχή της λειτουργίας, καθώς και στην αποτελεσματικότητα της εκτέλεσης συγκεκριμένων εργασιών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί για να επιτευχθούν τα πιο ακριβή αποτελέσματα.

Ο αισθητήρας επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες του smartphone. Οι κύριες λειτουργίες για τις οποίες είναι υπεύθυνο παρατίθενται παρακάτω.

• Αυτόματη αλλαγή του προσανατολισμού της οθόνης κατά την περιστροφή της συσκευής.
• Ελέγξτε το παιχνίδι χρησιμοποιώντας κλίσεις.
• Η συσκευή ανταποκρίνεται σε ορισμένες χειρονομίες και εκτελεί τις κατάλληλες ενέργειες (αλλαγή του μουσικού κομματιού, απενεργοποίηση του ξυπνητηριού ή απόρριψη κλήσης). Παραδείγματα χειρονομιών: χτύπημα ή κούνημα της θήκης, χαμηλώνοντας την οθόνη του smartphone.
• Προσδιορισμός και οπτική επίδειξη αλλαγών στη θέση ενός ατόμου στο διάστημα μέσω εφαρμογών πλοήγησης (Χάρτες Google κ.λπ.).
• Δυνατότητα παρακολούθησης της φυσικής δραστηριότητας. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η μέτρηση της απόστασης που διανύθηκε χρησιμοποιώντας ένα βηματόμετρο.

Πώς λειτουργεί ένα επιταχυνσιόμετρο, η αρχή της δομής του

Η παρακάτω εικόνα δείχνει τη σχηματική σχεδίαση του απλούστερου επιταχυνσιόμετρου.

Αποτελείται από μια αδρανή μάζα (σε αυτό το παράδειγμα, ο ρόλος της παίζει ένα βάρος), η οποία είναι προσαρτημένη σε ένα κινητό, ελαστικό στοιχείο (για παράδειγμα, ένα ελατήριο). Το ελατήριο, με τη σειρά του, στερεώνεται σε ένα ακίνητο μέρος. Ένας αποσβεστήρας χρησιμοποιείται για την καταστολή των κραδασμών του βάρους. Όταν ένα αντικείμενο που περιέχει ένα επιταχυνσιόμετρο ανακινείται, γέρνει ή περιστρέφεται, η αδρανειακή μάζα αντιδρά στην αδρανειακή δύναμη. Καθώς αυξάνεται η ένταση και η δύναμη της κλίσης, της στροφής ή της ανακίνησης, αυξάνεται η ακτίνα παραμόρφωσης του ελατηρίου.

Στη συνέχεια, το βάρος επιστρέφει στην προηγούμενη θέση του χάρη στο ελατήριο. Ένας ειδικός αισθητήρας καταγράφει το επίπεδο μετατόπισης της αδρανούς μάζας από τη θέση της στην κατάσταση «ηρεμίας». Αυτά τα δεδομένα στη συνέχεια μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα και μεταδίδονται για επεξεργασία από ηλεκτρονικά και λογισμικό. Χάρη στα δεδομένα που λαμβάνονται, το πρόγραμμα μπορεί να "υπολογίσει" αλλαγές στις φυσικές αλλαγές στη θέση του αντικειμένου.

Υπάρχει επίσης κάτι όπως ο άξονας ευαισθησίας της συσκευής. Εάν υπάρχει μόνο ένας άξονας, ο αισθητήρας θα μπορεί να μεταδίδει δεδομένα σχετικά με αλλαγές στη θέση ενός αντικειμένου στο χώρο μόνο εντός της ευαισθησίας του άξονα. Για να αυξηθεί η ευαισθησία του αισθητήρα και να ληφθούν ακριβή δεδομένα σχετικά με τη δύναμη και την κατεύθυνση της κλίσης του αντικειμένου, χρειάζονται δύο, ή ακόμα καλύτερα, τρεις άξονες. Συνδυάζοντας τρεις άξονες σε μία συσκευή, μπορείτε να υπολογίσετε τη θέση ενός αντικειμένου σε τρισδιάστατο χώρο.

Επιταχυνσιόμετρο σε smartphone

Για τεχνικούς και άλλους λόγους, ο σχεδιασμός του αισθητήρα που περιγράφεται παραπάνω δεν ισχύει για φορητές συσκευές. Αντικαθίσταται από ένα μικροσκοπικό τσιπ, στο εσωτερικό του οποίου υπάρχει μια αδρανής μάζα.

Η αρχή λειτουργίας του τσιπ είναι παρόμοια με έναν κλασικό αισθητήρα: η αδρανής μάζα αλλάζει τη θέση της κατά την επιτάχυνση. Χάρη σε αυτό, το smartphone λαμβάνει δεδομένα σχετικά με τη θέση του στο διάστημα. Αλλά υπάρχει μια τεράστια διαφορά μεταξύ των κλασικών συσκευών και των τσιπ, όχι μόνο στο σχεδιασμό, αλλά και στη μέθοδο παραγωγής.

Η παραγωγή τέτοιων αισθητήρων είναι μια πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία. Για να ληφθεί ένα αντίγραφο εργασίας, χρησιμοποιείται μια χημική αντίδραση μεταξύ σιλικόνης και άλλων στοιχείων. Η διαδικασία απαιτεί την υψηλότερη ακρίβεια στους υπολογισμούς και τις αναλογίες. Είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει αυτό με το χέρι, χρησιμοποιώντας φυσική επίδραση στα υλικά.

συμπέρασμα

Το επιταχυνσιόμετρο σε μια κινητή συσκευή, το οποίο είναι απλώς ένα μικροσκοπικό τσιπ, έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αλληλεπίδραση μεταξύ ενός ατόμου και ενός smartphone. Με τη βοήθειά του, ο έλεγχος της συσκευής μεταβαίνει σε ένα νέο, πιο άνετο επίπεδο. Και τα παιχνίδια και οι εφαρμογές λαμβάνουν πολλές πρόσθετες λειτουργίες που μπορούν να εφαρμοστούν χρησιμοποιώντας το επιταχυνσιόμετρο.