Принцип работы акселерометра

Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия, настройка и калибровка

Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия, настройка и калибровка - фотография 1 - изображение 1

Современные смартфоны и планшеты на ОС Android и других платформах, обеспечивают своим владельцам огромное количество возможностей, которые уже давно вышли за пределы обычного общения и интернет-сёрфинга. Для повышения функциональности гаджетов применяется множество дополнительных устройств – от такого приспособления как датчик приближения до акселерометра и гироскопа.

С их помощью удобнее разговаривать по мобильной связи, делать фото и даже играть. Некоторые функции таких датчиков похожи, но в основном они дополняют друг друга – поэтому установленный акселерометр в телефоне не исключает наличие в конструкции и гироскопа.

Принцип действия датчика

Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке характеристик смартфона, может заинтересовать, что это такое, как работает и выглядит. Ответить на эти вопросы несложно –  устройство, получившее название от латинского слова «accelero» («ускоряю»), применяется для измерения кажущегося ускорения.

Определяя этот параметр, датчик помогает программному обеспечению контролировать положение телефона в пространстве и расстояние, на которое был перемещён мобильный гаджет.

Между тем, даже зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. На самом деле оба датчика могут измерять одни и те же величины, но полностью заменить друг друга не способны.

При этом гироскоп в телефоне необходим для определения угла поворота гаджета относительно определённой плоскости. А акселерометр требуется для контроля положения в пространстве путём измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджета получить более точные результаты.

Как это работает? | Акселерометр - фотография 2 - изображение 2

Рис. 1. Один из примеров работы акселерометра.

Рассматривая действие акселерометра и что это такое по большому счёту, стоит познакомиться с принципом действия классического приспособления:

  1. Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
  2. Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
  3. Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
  4. Колебания груза подавляются демпфером.
  5. При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
  6. Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
  7. После возвращения массы на место под воздействием пружины уровень смещения относительно обычного положения фиксируется специальным датчиком.

Акселерометр в фитнес-браслете: что это такое, принцип работы, преимущества, лучшие гаджеты - фото 3 - изображение 3

Рис. 2. Конструкция стандартного акселерометра.

С другой стороны, ответ на вопрос по поводу акселерометра в телефоне – что это и как выглядит, будет немного отличаться. В данном случае он представляет собой миниатюрный элемент на плате с расположенной внутри инертной массой и выглядит обычно как маленький чёрный квадрат.

Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного – при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которому рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики стоят практически на любом виде мобильной техники – на телефоне или планшете.

Что это такое - фото 4 - изображение 4

Рис. 3. Внешний вид датчика для смартфона.

Применение устройства

Определившись с тем, что представляет собой акселерометр в телефоне, стоит узнать и как им пользоваться – для этого можно привести несколько примеров:

С помощью датчика осуществляется управление в играх – смена положения мобильного устройства вызывает определённые действия со стороны игрового персонажа или управляемого игроком транспортного средства. Так, например, наклоном телефона можно изменять направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.

Как работает, и как можно использовать - фотография 5 - изображение 5

Рис. 4. Игра Asphalt 8, управление в которой выполняется с помощью акселерометра.

Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для контроля пройденной дистанции. При этом определяется примерное количество сделанных шагов – и, хотя погрешность может быть довольно высокой (зависит от скорости движения), полученные результаты можно использовать для повышения результатов тренировки.

Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения. Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста. При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.

Отличия от гироскопа - фотография 6 - изображение 6

В других устройствах датчик применяют и для выполнения тех же задач, для чего нужен акселерометр на телефонах, и для других целей. Так, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности используется в качестве вибропреобразователя.

В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных.

Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.

Включение и отключение датчика

Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота».

У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране:

В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.

Есть ли преимущества у гаджетов с такой функцией - изображение 7 - изображение 7

Рис. 5. Включение через настройки.

Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.

ТОП-10 трекеров с акселерометром - фотография 8 - изображение 8

Рис. 6. Включение через верхнюю панель. Совет: Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильника не требуется – и даже может мешать. В таких случаях датчик можно отключить, воспользовавшись одним из тех меню, в которых можно включать автоповорот.

Настройка и калибровка

Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При отсутствии акселерометра в телефоне, что говорит о бюджетной стоимости модели или её выпуске много лет назад, добавить эту функцию не получится ни перепрошивкой, ни изменением настроек.

Зато при наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.

Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:

Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox). Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность. Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.

Полезное видео - фото 9 - изображение 9

Рис. 7. Меню приложения.

На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.

Основные выводы - фотография 10 - изображение 10

Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.

Выводы

Зная, что такое акселерометр, можно сделать определённые выводы по поводу его наличия в современных мобильных устройствах. Наличие датчиков определения положения смартфонов и планшетов позволяет упростить просмотр на телефоне видео или чтение книг, а иногда даже помогает в игровом процессе.

Однако перед использованием акселерометра его иногда приходится настраивать. На это потребуется всего несколько минут и скачивание бесплатной утилиты.

Тематическое видео:

Как это работает? | Акселерометр

Принцип действия и устройство акселерометра - фотография 11 - изображение 11

Акселерометр — это датчик для измерения ускорения. Он был изобретен в конце 19 века и предназначался для установки в автомобилях и паровозах для контроля за скоростью. Первые акселерометры были тяжелыми и громоздкими. Они основывались на использовании инерционной силы, движущейся с ускорением массы, и представляли собой маятник со спиральной пружиной. При ускорении или замедлении корпуса грузик стремился сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. Одна из пружин при этом сжималась, а маятник совершал перемещение. Величина этого перемещения и определялась акселерометром для вычисления ускорения. Как же работает современный акселерометр, используемый в смартфонах, — об этом в сегодняшнем выпуске!

Акселерометр в телефоне: что это, принцип работы, фото - фотография 12 - изображение 12

Впервые акселерометр был установлен в мобильный телефон Nokia 5500, благодаря чему его можно было использовать как шагомер. В силу конструктивных особенностей мобильных устройств использовать традиционный акселерометр с маятником невозможно. Поэтому он заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.

Суть понятия «акселерометр» - изображение 13 - изображение 13

Принцип работы такого чипа схож с классическим акселерометром: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Благодаря этому смартфон получает данные о своем положении в пространстве. Сам чип представляет собой неподвижный корпус, к которому на специальных упругих приставках крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками. Эти отводы размещаются между контактами, которые снимают показания. При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои значения, что и служит показателем для измерения.

Акселерометр в телефоне: принцип работы - фотография 14 - изображение 14

В чипе все элементы крайне малы, поэтому они производятся на автоматизированных конвейерных линиях без участия человека, а при их изготовлении применяются реакции силикона с другими веществами.

В смартфонах акселерометр чаще всего используется для автоматической смены ориентации экрана при повороте устройства. Также он нашел свое применение в системных жестах (таких как встряхивание), играх и навигационных приложениях, а также трекерах активности.

Зачем акселерометр в смартфоне - фото 15 - изображение 15

А самым большим и перспективным рынком для акселерометров, как это ни странно, является автомобильная промышленность. Дело в том, что в автомобилях на работе акселерометра основывается большое количество систем безопасности: адаптивный круиз-контроль и подвеска, подушки безопасности, система стабилизации и многие другие. При этом в данном случае речь идет не о чипе, используемом в смартфонах, а о полноценных приборах, чаще всего пьезоэлектрических. В основе таких датчиков лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Благодаря давлению он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение. Также существует термальный акселерометр, архитектура которого предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, что и фиксируется датчиками, а затем используется для расчета ускорения.

Акселерометр в фитнес-браслете: что это такое, принцип работы, преимущества, лучшие гаджеты

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах - фото 16 - изображение 16

Фитнес-браслет – это очень удобное и полезное устройство, которое помогает оставаться активным и контролировать состояние организма.

На рынке регулярно появляются более современные гаджеты, которые дополняются новыми функциями.

Большинство людей уже приобрели обновку, однако далеко не все владельцы фитнес-браслетов знают, что такое акселерометр.

Этот аппаратный компонент обычно встраивают в смартфон или трекер для фитнеса вместе с гироскопом, чтобы повысить функциональность гаджета.

Пользователям будет полезно знать, что из себя представляет акселерометр, как работает и какие преимущества дает.

Что это такое

Мало кто знает, что это такое акселерометр (G-сенсор) в фитнес-браслете. Это датчик, помогающий измерить кажущееся ускорение объекта, к которому он прикреплен. Под кажущимся ускорением понимают разницу между гравитационным, а также истинным ускорением.

Именно благодаря акселерометру, фитнес-браслет умеет подсчитывать количество шагов. Для этой цели в спортивный гаджет устанавливают трехкомпонентный датчик – это миниатюрное устройство, которое регистрирует ускорение по 3 осям координат. Такие сенсоры часто встраивают в смартфоны, а также планшеты. Нередко владельцы мобильных устройств, а также фитнес-браслетов даже не подозревают о том, что используют акселерометр.

Важно! Современные модели трекеров для фитнеса оснащаются акселерометром или гироскопом, которые отслеживают ориентацию объекта в пространстве. Далеко не все пользователи понимают, что эти устройства отличаются: акселерометр измеряет ускорение, а гироскоп – угол наклона девайса по отношению к поверхности земли.

С помощью акселерометра фитнес-трекер понимает, двигается ли рука пользователя с определенным ускорением или находится в неподвижном состоянии. Мало кто знает, что это устройство постоянно контролирует быстроту изменения скорости, затем передает данные в микропроцессор. Последнее устройство обрабатывает полученную информацию по определенному алгоритму, отличая перемещение в пространстве (с движением рук во время ходьбы) от обычных жестов руками.

Если акселерометр в фитнес-браслете дополнен гироскопом, то это позволяет получить микропроцессору более развернутую (трехмерную) картину движения руки пользователя. Благодаря этим аппаратным компонентам, трекер для фитнеса может точно отличить перемещение рук во время ходьбы от движений, совершаемых на месте.

Акселерометр в гаджетах - фотография 17 - изображение 17

Раньше об акселерометре с гироскопом слышали владельцы смартфонов, в которые их устанавливали перед массовым распространением фитнес-браслетов. Сейчас эти датчики встраивают по умолчанию практически во все мобильные устройства. Они помогают принимать вызов, встряхнув или повернув смартфон, перелистывать электронную книгу, переключать треки в аудиоплеере или управлять персонажем видеоигры. Ну и, конечно же, функция подсчета шагов на телефоне тоже реализуется благодаря акселерометру и гироскопу.

Однако большинство недорогих моделей трекеров для фитнеса оснащены только G-сенсором. Но если программное обеспечение гаджета хорошо налажено, то даже без гироскопа он может подсчитывать шаги с минимальной погрешностью. Мало кто знает, что именно это устройство помогает определять пройденное расстояние. Кроме того, практически все фитнес-браслеты могут измерять пульс и отслеживать часы бодрствования и сна.

Как работает, и как можно использовать

Чтобы понять, как действует акселерометр в фитнес-браслете и что это такое, нужно изучить механизм действия классического устройства. Мало кто знает, что оно состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

Как это работает? - фото 18 - изображение 18

Основной деталью конструкции является подвижная масса, которая прикреплена к упругому элементу. Пружина крепится к неподвижной поверхности. С противоположной стороны находится демпфер, который подавляет колебания груза.

Важно! Любые движения гаджета приводят к тому, что подвижная масса ускоряется, тогда деформируется пружина. Когда груз возвращается на место под воздействием упругого элемента, уровень смещения по отношению обычного положения фиксирует специальный датчик.

Акселерометры в фитнес-браслетах бывают разные, но чаще всего применяются емкостные и пьезоэлектрические.

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром? - изображение 19 - изображение 19

Мало кто знает, как работает емкостный датчик и что это такое. При движении устройства груз давит на пластину, расположенную ближе. При сближении чувствительных элементов увеличивается емкость конденсатора. Микропроцессор производит обработку полученной информации и сигнализирует о движении.

Отличия акселерометра от гироскопа - фотография 20 - изображение 20

В пьезоэлектрических устройствах вместо пластин применяется кристалл. Во время движения гаджета груз сжимает чувствительный элемент, и он создает разность потенциалов. Микроконтроллер регистрирует изменения.

Акселерометр: что это и как он работает в современной технике? - изображение 21 - изображение 21

Акселерометр в фитнес-браслете выглядит как миниатюрный чип, который расположен на плате устройства. Внутри него находится подвижная масса, а выглядит он как небольшой черный квадрат.

Принцип его работы не отличается от стандартного: когда меняется положение подвижной массы, то производится замер уровня смещения. Потом полученная информация преобразуется в электрический сигнал. Это наиболее простой пример работы G-сенсора.

Акселерометр в фитнес-браслете применяют во время ходьбы или бега, чтобы контролировать пройденную дистанцию. Умное устройство помогает подсчитать примерное количество шагов, ступенек. Несмотря на то, что результаты далеко не всегда точны, полученная информация поможет корректировать уровень активности и повысить результаты тренировок.

Не существует фитнес-браслетов, которые определят количество шагов без ошибки. На протяжении дня пользователь совершает непредсказуемые для гаджета движения (например, управление авто, поглощение пищи), которые он ошибочно воспринимает как шаги. К тому же, все люди имеют свой стиль хождения, поэтому нет единого алгоритма, который учитывает особенности походки и точно отличает шаги от других движений. Обычно погрешность находится в пределах от -30 до +10%.

В смартфонах акселерометры позволяют управлять героями из видеоигр или их транспортными средствами. Также датчик помогает менять ориентацию картинки или текста. В авиации G-сенсор обеспечивает работу навигационной системы, а в промышленности он используется в качестве устройства, которое преобразует постоянное низкое напряжение в переменное.

Отличия от гироскопа

Некоторые пользователи путают гироскоп с акселерометром. Однако эти устройства имеют существенные отличия.

Гироскоп в фитнес-браслете позволяет определять угол наклона гаджета по отношению к поверхности земли. Этот датчик вместе с акселерометром позволяет получить информацию о передвижении и физической активности человека. Они помогают определить обычную ходьбу и бег от более сложных занятий, например, йога, плавание. С помощью гироскопа и акселерометра фитнес-браслет собирает статистику, а потом передает ее в приложение смартфона. Эти аппаратные компоненты позволяют не только посчитать шаги, но и пройденное расстояние, высоту или количество ступенек.

Интересно! В смартфоне гироскоп тоже позволяет управлять героями игр или интерфейсом. Также его используют в автомобильной, авиационной, космической и других видах промышленности, где требуется определить положение объекта по отношению к поверхности земли.

Как упоминалось, акселерометр в фитнес-браслете позволяет измерить ускорение гаджета, в котором он установлен. Оба датчика способны передавать данные об ускорении в соответствующую программу. Тогда она определяет свое положение по отношению к земной поверхности.

Однако акселерометр имеет преимущество над гироскопом – во время измерения ускорения девайс способен очень точно определить расстояние, на которое он перемещается в пространстве. Поэтому фитнес-браслет с G-сенсором можно применять для подсчета количества шагов.

Таким образом, акселерометр и гироскоп помогают определить положение фитнес-браслет относительно земной поверхности. Но разница между ними все-таки есть: первое устройство позволяет вычислить ускорение гаджета по отношению к земле, а второе – угол его наклона. Эти функции могут заменять друг друга или дополнять. По этой причине современные фитнес-браслеты оснащают обоими датчиками.

Однако некоторые функции акселерометра недоступны гироскопу. Первое устройство формирует сигнал, позволяющий измерить дистанцию, которую прошел владелец фитнес-браслета.

Есть ли преимущества у гаджетов с такой функцией

Акселерометр в смартфонах расширяет возможности гаджета:

  1. Позволяет автоматически менять ориентацию экрана во время поворота телефона.
  2. Разрешает управлять игровым процессом в некоторых программах за счет поворота смартфона.
  3. Мобильное устройство реагирует на жесты и выполняет определенные действия, например, при перевороте смартфона переключается песня.
  4. Определяет, а также показывает изменение положения человека в пространстве с помощью навигационных программ, к примеру, Гугл Карты.
  5. Отслеживает физическую активность, например, определяет расстояние чрез шагомер.

    Сфера применения - изображение 22 - изображение 22

Однако фитнес-браслеты с акселерометром намного удобнее, чем телефон с таким же датчиком для отслеживания физической активности.

Плюсы трекера для фитнеса с G-сенсором, по сравнению с телефоном:

  1. Носить смартфон во время ходьбы или бега в руке достаточно неудобно. Кроме того, телефон нельзя брать с собой в бассейн, а многие модели фитнес-браслетов водонепроницаемые, поэтому с ними можно плавать.
  2. Заменить фитнес-браслет смартфоном возможно, но для этого нужно постоянно следить, чтобы он был подключен к интернету и другим программам. Трекер для фитнеса можно синхронизировать с телефоном и фирменным приложением 1 раз за сутки.
  3. Сохранить информацию о тренировке на телефоне можно с помощью специальных приложений. На фитнес-браслете данные автоматически сохраняются и передаются в программу, где можно просмотреть все подробности.

Как видите, устройства с акселерометром имеют массу преимуществ перед гаджетами без этих датчиков. Для отслеживания физической активности фитнес-браслет с G-сенсором подходит намного больше, чем смартфон с ним.

ТОП-10 трекеров с акселерометром

Если вы решили приобрести фитнес-браслет с акселерометром, то нужно изучить список лучших устройств в 2019 году:

  1. Garmin Vivosmart HR+. Оснащен акселерометром, высотометром и пульсометром. Он считает шаги, пройденное расстояние, потраченные калории и т.д. Фитнес-браслет работает в разных режимах, например, бег, езда на велосипеде, фитнес, плавание. Он отслеживает сон, ЧСС, минуты активности. А благодаря GPS-модулю, гаджет точно определяет координаты.
  2. Huawei Honor Band 4. Имеет G-сенсор и пульсометр. Фитнес-браслет позволяет выбирать из списка спортивных режимов наиболее подходящий, например, ходьба, бег на улице или беговой дорожке, езда на велосипеде или тренажере, плавание. Устройство автоматически следит за активностью пользователя при занятиях спортом. Кроме того, оно распознает разные стили плавания (брасс, баттерфляй и т.д.). В статистике отображается следующая информация: скорость плавания, расстояние, калории и т.д.
  3. Xiaomi Mi Band 3. Оснащен акселерометром и пульсометром. Чувствительный датчик позволяет считать шаги с минимальной погрешностью. Он правильно определяет пройденную дистанцию, количество калорий, этажи. Гаджет имеет водонепроницаемый корпус, поэтому в нем можно плавать, но специальный режим отсутствует. Кроме того, устройство хорошо понимает жесты.

    Альтернативные сферы применения - изображение 23 - изображение 23

  4. Garmin Vivosmart 3. Оснащен пульсометром, акселерометром, барометром, датчиком освещенности. Фитнес-браслет считает шаги, дистанцию, калории, количество повторений, определяет минуты активности, измеряет пульс, отслеживает фазы сна. Кроме того, он позволяет оценить аэробное состояние, отследить стресс в течение всего дня. Он подходит для плавания и поддерживает различные спортивные режимы.
  5. FitBit Charge 3. Имеет встроенный акселерометр, высотометр, сенсор освещенности, пульсометр. Это устройство считает минуты активности, шаги, время, потраченные калории. Фитнес-браслет позволяет определять цели, анализирует сон, определяет его качество. С ним можно плавать, а GPS выстроит маршрут пробежки.
  6. Amazfit Cor. Оснащен 3-осевым акселерометром и оптическим датчиком ЧСС. Фитнес-браслет напоминает о движении, считает шаги, дистанцию, этажи, калории, определяет время активности, измеряет пульс. С ним можно плавать.
  7. SMA B2. Имеет G-сенсор и пульсометр. Фитнес-браслет подсчитывает количество шагов, дистанцию, калории, напоминает о движении, измеряет ЧСС, кровяное давление. Позволяет выбирать режим пробежки или езды на велосипеде.
  8. Samsung Gear Fit 2Pro. Оснащен акселерометром, гироскопом, высотометром, пульсометром. Фитнес-браслет напоминает об активности, определяет количество шагов, дистанцию, калории, пульс. Благодаря GPS, устройство записывает траекторию перемещения, выстраивает беговые маршруты. Он позволяет тренироваться в разных режимах (в том числе плавания).
  9. Huawei Band 3 Pro. Имеет такой же набор датчиков, как предыдущий гаджет (кроме высотометра). Фитнес-браслет предлагает много полезных функций, например, измерение частоты сердцебиения, мониторинг сна, подсчет шагов, расстояния, количества кругов в бассейне и т.д. Автоматически определяет бег, езду на велосипеде и плавание.
  10. Huawei Talkband B5. Оснащен акселерометром и пульсометром. Фитнес-браслет обладает всеми важными базовыми опциями, например, подсчет шагов, расстояния, калорий, пульса и т.д. Кроме того, он выступает в качестве средства мобильной связи.

Вышеописанные фитнес-браслеты с акселерометром позволят сделать жизнь активнее, тренировки – более разнообразными, правильно спать, следить за состоянием здоровья.

Полезное видео

Основные выводы

Теперь вы знаете, что это такое – акселерометр в фитнес-браслете, и зачем он нужен. Этот прибор измеряет кажущееся ускорение. Определяя эту характеристику, G-сенсор помогает ПО контролировать положение гаджета по отношению к земной поверхности, а также расстояние, на которое он был перемещен. Важно понимать, что акселерометр отличается от гироскопа, хотя оба устройства могут дополнять друг друга. В фитнес-браслете датчик позволяет считать шаги, расстояние, этажи. Акселерометр дает гаджету информацию о положении в пространстве и скорости движения пользователя. Поэтому трекеры с этими датчиками дают больше возможностей человеку, чем устройства без них. Чтобы правильно выбрать фитнес-браслет с акселерометром, нужно изучить список лучших гаджетов за 2019 год.

Принцип действия и устройство акселерометра

Идеи - фото 24 - изображение 24

123

Принцип действия и устройство датчика измерения ускорения рассмотрим на примере пружинного акселерометра, в качестве чувствительного элемента которого применяется инерционная масса.

Принцип действия пружинного акселерометра с инерционным чувствительных элементов основан на использовании инерционных сил или моментов, возникающих при движении тела определенной массы с ускорением. Зависимость инерционной силы F, действующей на тело, масса которой равна m при наличии ускоренияa, как известно, определяют по второму закону Ньютона:

m·a

Датчики с инерционными чувствительными элементами применяют также для измерения вибрации, угловой скорости вращения и т.д.

Устройство акселерометра.

Чувствительным элементом акселерометра служит инерционная масса 1, подвешенная на двух пружинах 2, прикрепленных в точках А и В к корпусу 3, жестко связанному с движущимся объектом.

Линия АВ является осью чувствительности акселерометра. Она параллельна той оси движущегося объекта, по которой нужно измерить ускорение х.

Применение новых возможностей - фотография 25 - изображение 25

При отсутствии ускорений натяжение пружин одинаково и масса располагается в среднем (нейтральном) положении. Если объект движется с постоянным линейным ускорением х, то масса перемещается на некоторую величину, при которой инерционная сила Рин, возникающая вследствие ускоренного движения массы в абсолютном пространстве, уравновешивается силой Рупр упругости пружин.

Для успокоения колебаний инерционной массы в переходном режиме служит демпфер 4, создающий силу, пропорциональную скорости перемещения массы относительно корпуса 3. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные демпферы.

Требования к акселерометрам в отношении точности измерения определяются областью применения. Так, погрешности акселерометров в инерциальных системах не должны превышать 0,001%.Акселерометры, используемые в системах управления, имеют погрешности на два-три порядка выше. Погрешности акселерометров, применяемых в качестве визуальных приборов, составляют 1÷3%.

Еще одной областью применения акселерометров является их применение в качестве датчиков измерения перегрузки, действующей на самолет в определенном направлении.

Перегрузкой называется отношение поверхностной силы F, действующей в направлении какой-либо оси самолета, к силе веса G.К поверхностным силам относятся подъемная сила, сила сопротивления и сила тяги. Различают перегрузку нормальную (поперечную), равную отношению подъемной силы к силе веса, продольную и боковую.

Перегрузка – величина безразмерная. Иногда говорят, что перегрузка равна, например, 5g. Это означает, что в данном направлении на летательный аппарат и находящихся в нем членов экипажа действует сила, в пять раз превышающая силу веса. Исходя из определения понятия перегрузки, следует говорить о перегрузке, равной 5, а не 5g.

ВС играет вертикальная перегрузка.

Сигналы акселерометров используются также в инерциальных навигационных системах для вычисления скоростей и координат, в системах управления полетом и двигателями, а также для индикации текущего и критического значений перегрузки.

Акселерометры, применяемые в системах управления, ориентируются своими осями чувствительности по главным осям лета тельного аппарата. Такие акселерометры измеряют составляющие вектора ускорения по этим осям, а для получения полного вектора необходимо иметь три акселерометра.

В инерциальных системах навигации оси чувствительности акселерометров ориентируются по осям навигационной системы координат, обычно связанной с Землей. В качестве навигационной системы координат может быть взята, например, географическая система, одна из осей которой направлена по меридиану, а вторая ось перпендикулярна к первой в горизонтальной плоскости. При этом два акселерометра с взаимно перпендикулярными осями, расположенными в горизонтальной плоскости, измеряют горизонтальные составляющие вектора ускорения, а один акселерометр, ось чувствительности которого направлена по вертикали, измеряет вертикальное ускорение.

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс (чувствительных элементов), датчики сигналов перемещения массы, моментные (силовые) устройства, обеспечивающие ввод сигналов обратной связи, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для того чтобы акселерометр реагировал только на ту составляющую ускорения, для измерения которой он предназначен, его инерционная масса должна иметь специальный подвес, удовлетворяющий следующим требованиям:

- минимальное трение в осях подвеса;

- отсутствие перекрестных связей между измерительными осями;

- обеспечение линейной зависимости между отклонениями инерционной массы и измеряемым ускорением.

Подвесы на простых опорах создают значительное трение, которое снижает чувствительность акселерометра. Для уменьшения трения чувствительный элемент укрепляют на рычаге или помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента.

Перспективными являются электромагнитные и криогенные подвесы.

Для преобразования перемещений в электрические сигналы в акселерометрах применяются потенциометрические, индуктивные, емкостные, фотоэлектрическиеиструнные преобразователи.

Основные требования к преобразователям следующие:

1) большая разрешающая способность;

2) линейная зависимость выхода от входа;

3) отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент.

Этим требованиям не удовлетворяют потенциометрические датчики, поэтому в точных приборах они не применяются.

В качестве моментных (силовых) устройств в акселерометрах для ввода сигналов обратных связей применяются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагнитные устройства.

Для получения акселерометров с требуемыми частотными характеристиками в цепях обратной связи применяют корректирующие фильтры и специальные демпферы. В приборах с жидкостным подвесом для демпфирования используется вязкость самой жидкости.

В качестве примера рассмотрим однокомпонентный акселерометр.

На схеме рис. 11.2 сейсмическая масса 1 подвешена на направляющей 4. Для уменьшения трения о направляющую масса 1, помещенная в жидкость 3, имеет нейтральную плавучесть, что исключает сильное прижатие к направляющей. Сигналы в рассматриваемой схеме, пропорциональные перемещению сейсмической массы, измеряются индуктивным датчиком 6. После усиления в усилителе 5 сигнал поступает на электромагнитный (силовой) привод 7. Выходным сигналом акселерометра является падение напряжения и на сопротивлении R, включенном последовательно в цепь обмотки силового привода. Демпфирование в приборе получается за счет сопротивления при движении сейсмической массы в жидкости.

Рис. 11.2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – корпус; 3 –жидкость; 4 – направляющий стержень; 5 – усилитель; 6– индуктивный датчик перемещения; 7 – электромагнитный привод

В акселерометрах рассматриваемого типа можно получить высокую собственную частоту и малую зону нечувствительности. Последнее достигается уменьшением сил трения за счет взвешивания инерционной массы в жидкости. Для сохранения постоянства характеристик акселерометра необходимо поддерживать температуру жидкости постоянной, что достигается термостатированием.

123

2017-02-252679

Акселерометр в телефоне: что это, принцип работы, фото

Устройство - фотография 26 - изображение 26

Geek-Nose.Com » Железо

Акселерометр: что это? - изображение 27 - изображение 27

Ляхович Анна 18.03.2019

Принцип работы маятникового акселерометра - фото 28 - изображение 28

Если вас интересует ответ на вопрос Акселерометр в телефоне  что это? Значит вы попали по адресу.

Все обладатели современных мобильных устройств наверняка знают, что такое автоповорот экрана. А те, кто любит игры на мобильных платформах ценят возможность управления ими при помощи поворотов телефона.

А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.

Что такое акселерометр в телефоне - фотография 29 - изображение 29

Содержание:

  • Суть понятия «акселерометр»
  • Акселерометр в телефоне: принцип работы
  • Зачем акселерометр в смартфоне

Именно эта небольшая деталь позволяет использовать телефон в качестве уровня, использовать приложения, наслаждаться играми, которым необходима информация о положении телефона в пространстве.

Содержание статьи - изображение 30 - изображение 30

Что же собой представляет это устройство?

Принцип работы акселерометра - фото 31 - изображение 31

Суть понятия «акселерометр»

Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение – это разница между гравитационным и истинным ускорениями объекта.

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

Акселерометр в телефоне - фото 32 - изображение 32

Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза.

Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора.

Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.

Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:

  1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
  2. Автомобильные спидометры и видеорегистраторы также используют акселерометры. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
  3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
  4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты жестких дисков от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения. Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска. В эту же категорию можно отнести и акселерометры на телефонах и планшетах.

Акселерометр - что это такое и зачем нужен? - изображение 33 - изображение 33

Принципиально простое устройство производится во множестве специализированных компоновок, каждая из которых предназначена для определенных целей.

В чем же особенность акселерометров в мобильных устройствах (телефоны, планшеты и пр.)?

к содержанию ↑

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.

В корпусе толщиной, скажем, шесть миллиметров должно размещаться огромное количество электроники, которая должна занимать минимум места.

Определение и история - изображение 34 - изображение 34

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе, представленном выше.

Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:

Разновидности - фотография 35 - изображение 35

К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками.

Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.

При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения.

Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.

Обратите внимание! Если акселерометр в телефоне не работает, то его придется менять в специализированных сервисных центрах.

Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами.

Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.

Читайте также:

ТОП-12 смартфонов с мощным аккумулятором и двумя СИМ

Смартфоны с мощным аккумулятором до 10 000 рублей

Смартфоны с экраном 6` и больше: обзоры 13 лучших моделей

к содержанию ↑

Зачем акселерометр в смартфоне

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни.

Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone.

Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.

Новое время - фото 36 - изображение 36

Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра.

За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью.

Применяется он для разнообразных служебных приложений.

Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.

Мобильная индустрия - фотография 37 - изображение 37

Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр, в частности, шутеров.

Даже при таком широком применений акселерометр имеет еще много перспектив.

Вам это может быть интересно:

Как удалить вирус с телефона Андроид: Несколько простых шагов

Почему не работает интернет на телефоне: Главные причины + решение проблемы

Лучшие смартфоны 2017 года стоимостью до 20000 рублей

Что такое Гироскоп и Акселерометр | База Знаний

Акселерометр в телефоне: что это, принцип работы, фото

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Первое устройство - фотография 38 - изображение 38

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров.

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Практически МЭМС-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не просто. В большинстве случаев в одной детали удается комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Современные МЭМС-гироскопы часто устроены идентично акселерометрам. При этом значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота. Конструкция примерно та же, но на выходе - другая величина.

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Справка. Пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых материалов в электрическом, а пьезомагнитный эффект – во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта полностью обратимы: при деформации пьезоэлемента на его концах появляется электрический заряд или магнитное поле (прямой пьезоэффект), а при приложении электрического и или магнитного поля проявляется изменение его линейных размеров (обратный пьезоэффект).

Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актюаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство).

DMD-чип в сборе. DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 10x10 микрон.

Некоторые применения МЭМС технологий:

  • Акселерометры – миниатюрные устройства для измерения ускорений; их широко используют в устройствах, контролирующих раскрытие подушек безопасности в автомобилях;
  • Микрозеркала. Угол наклона каждого зеркала независимо управляется МЭМС-устройством, благодаря чему можно либо отражать либо блокировать свет. Подобные системы используются в проекторах для графических презентаций. Совмещение акселерометров на основе МЭМС для регистрации внешних вибраций с МЭМС-микрозеркалами для коррекции лазерного луча, позволило разработать принтеры с чрезвычайно высоким разрешением печати.
  • Микрокапиллярные устройства. Кремниевые чипы с микроскопическими каналами могут использоваться для адресной доставки лекарственных препаратов.
  • Биомедицинские имплантанты. Недавно были созданы кремниевые МЭМС-устройства содержащие звуковой сенсор и микропроцессор, который раскладывает звуковые волны на Фурье-гармоники. Устройство имплантируется непосредственно в человеческое ухо, после чего полученные Фурье-компоненты напрямую передаются слуховому нерву, благодаря чему глухие люди получают возможность слышать. В настоящее время разрабатываются аналогичные устройства для восстановления зрения.

Понятие о литографии

Литографией называют совокупность фото- и физико-химических процессов, используемых для послойного формирования топологического рисунка интегральных схем (ИС) и наноструктур. Конечная цель литографического процесса – получение контактной маски для формирования одного из топологических слоев изготавливаемой структуры. Литография основана на использовании высокомолекулярных соединений – резистов, обладающих способностью изменять свои свойства под действием определенного вида излучения. В зависимости от вида излучения и типа резиста различают оптическую (фото), рентгеновскую, электронную и ионную литографии. В ФЛ ультрафиолетовое излучение проходит через маску и фокусируется на кремниевой пластине с резистом. Под действием УФИ, прошедшего через прозрачные места на маске, светочувствительный слой (резист) приобретает способность к растворению и затем удаляется органическими растворителями.

Основные этапы фотолитографии на пластине кремния:

  • нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2;
  • нанесение на слой диэлектрика фоторезиста;
  • наложение фотошаблона, который отображает соответствующую часть ИМС, например размеры, форму и взаимное расположение эмиттеров всех транзисторов, которые должны быть сформированы на пластине; в таком случае шаблон представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными участками, дублирующими форму и местоположение будущих эмиттеров;
  • экспонирование фоторезиста;
  • удаление фотошаблона;
  • проявление (травление) фоторезиста; участки, подвергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя окисла;
  • вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезисте;
  • удаление фоторезиста.

НЭМС

Современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают наносилы под действием электрического поля или светы, или, наоборот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик.

При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию сил трения над силами инерции. Одна из задач – теоретическое описание механического поведения наносистем.

Две основные тенденции в создании НЭМС: миниатюризация существующих МЭМС (концепция «сверху-вниз») и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств (концепция «снизу-вверх»). Первый подход связан со сложностями, возникающими из-за ограниченного разрешения методов, используемых для создания МЭМС. Эти методы проблематично использовать для создания нанообъектов. Второй подход связан с использованием отдельных молекул и функциональных групп. В частности, описана возможность передачи вращения с одной нанотрубки на другую, а также создание механического осциллятора из группы концентрических нанотрубок.

Справка. Углеродная нанотрубка (УНТ) получается из гексагональной углеродной сетки. В зависимости от того, как из графитовой плоскости «вырезать полоску» и как ее свернуть, диаметр трубки может варьироваться от 0.4 до 100 нм, а длина – от 1 до 100 мкм. Имеют высокую прочность на растяжение и изгиб, высокую проводимость, необычные магнитные и оптические свойства. Свойства зависят от структуры нанотрубки. Например, вектор свертки графитовой плоскости определяет электронную структуру НТ: будет ли она металлом или полупроводником.

Ярким примером НЭМС являются наномашины, способные ездить под действием внешнего электрического поля или света.

Первый наноавтомобиль, способный ездить по поверхности золота, - этот большая органическая молекула, состоящая из почти 300 атомов трех видов - С, O, H. В качестве колес использованы четыре молекулы фуллерена С60, которые связаны химическими связями с каркасом машины.

Справка. Фуллерены – это изолированные молекулы новой аллотропной модификации углерода. Форма фуллеренов – полый сфероид, грани которого образуют пяти- и шестиугольники. Наибольший интерес представляет фуллерен С60 ввиду его наибольшей стабильности и высокой симметрии.

Именно уникальная сферическая форма молекул фуллерена обеспечивает настоящее вращение колес наноавтомобиля вокруг собственной оси.

Движение осуществляется обычным нагреванием всей системы до 2000 С, что вызывает вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с рамой машины. От вращения четырех молекул наносистема приходит в движение и может катиться по плоской золотой поверхности. Проблема – машина неуправляема. Решение – на каждую машину нужно поставить молекулярный наномотор – наноактюатор.

В зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к МЭМС или НЭМС можем осуществляться электрически, термически или химически.

Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Простейшие типы таких актюаторов включают пьезодвигатели и электростатические актюаторы на основе плоскопараллельных конденсаторов, однако возможны и более сложные и интересные решения (см. после справки).

Справка. Пьезодвигателями называют такие системы, в которых механическое перемещение осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта. Пьезодвигатели работают на обратном пьезоэффекте. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические двигатели. Пьезодвигатели используются в системах нанопозиционирования, НЭМС, наноактюаторах, нановесах, наносенсорах и кантилеверах атомно-силовых микроскопов.

Создан электрический наноактюатор, похожий на обычный электромотор. Вращающей частью (ротором) является крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси, - углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода, на которые подается переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, в результате чего наномотор вращается.Тепловые актюаторы используют эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0.1%.Химическое управление наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют свет, который при воздействии на молекулы приводит актюатор в движение.Среди разнообразных конструкций молекулярных моторов выбор был сделан в пользу модели, разработанной голландским инженером Феринга. Подвижная лопасть установлена в центре рамы наноавтомобиля. Под действием излучения (использовался свет с длиной волны 365 нм) лопасть начинает вращаться и, отталкиваясь от золотой подложки, приводит наномашину в движение.При установке наноактюатора возникли сложности. В частности, выяснилось, что мотор Феринга не работает в присутствии фуллеренов. Поэтому колеса пришлось заменить на молекулы р-карборанов, содержащие атомы С, Н и В. Эксперименты показали, что такие наноавтомобили действительно могут ездить под действием света, что является огромным достижением НТ. Очевидно, требуются усовершенствования. Например, лопастной нанодвигатель может вращаться только в одну сторону, поэтому пока наномашины умеют ездить только вперед.

Ожидается, что НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно при измерении очень малых сил и смещений на молекулярном уровне. Собственная частота колебаний механической системы:

ω0 ~ (kэфф/mэфф)1/2,

где kэфф – эффективная жесткость, а mэфф – эффективная масса системы. При уменьшении линейного размера l устройства при сохранении его формы частота ω0 будет увеличиваться, так как kэфф ~ l, а mэфф ~ l3. При этом высокие значения ω0 соответствуют высоким скоростям отклика системы на внешние силы, что позволяет создавать на основе НЭМС чрезвычайно чувствительные измерительные устройства. В настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10ГГц, что казалось недостижимым. Такие резонаторы применяются в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии.

Акселерометр в гаджетах

Как это работает - фотография 39 - изображение 39

Датчик под названием акселерометр (он же G-сенсор) создан для того, чтобы определять наклон устройства относительно положения земли. Так, каждый владелец смартфона или фитнес-браслета, часто не подозревая об этом, использует акселерометр.

Практически все современные смартфоны и планшеты оснащаются акселерометром. Он необходим для того, чтобы замерять уровень смещения относительно уровня покоя, в любое время замерять активность человека, распознавать и демонстрировать положение в пространстве. Встроенный акселерометр дает возможность оперативного управления телефоном за счет моментального реагирования на изменения его положения. За счет этого устройства при смене положения смартфона поворачивается его экран для максимального удобства. Кстати, именно акселерометр защищает от удаления всех записей в случае непредвиденной ситуации. Таким образом акселерометр является незаменимым элементом любого смартфона.

Если в смартфонах такой датчик устанавливается для определения положения экрана, то в фитнес-браслетах он применяется с единственной целью: подсчет числа сделанных шагов, а также определение пройденной человеком дистанции. Большинство моделей фитнес-браслетов также могут определять сердечный ритм и различать состояние бодрствования и сна.

В часах акселерометр устанавливается с той же целью, что и в фитнес браслетах Устройство подсчитывает количество шагов, показатели физической активности, создает отчеты в соответствующих приложениях, подсчитывает, какое количество калорий человек потратил в процессе физической тренировки. Фитнес-часы – это отличное устройство для тех, кто занимается спортом и следит за своим здоровьем.

Как это работает?

G-сенсор представляет собой крошечный чип. Он ставится на плате устройства. В двух словах: данный чип представляет собой особую инертную массу, которая крепится к достаточно гибкой и подвижной составляющей части, закрепляемой на на подвижном элементе. Чтобы подавлять любые случайные мини колебания инертная масса должна быть присоединена к демпферу.

Принцип акселерометра заключается в том, что он производит замер уровня смещения относительно уровня состояния покоя. Далее происходит преобразование получаемой информации в электросигнал. Последний, в свою очередь, переходит к программному обеспечению, электронике. Так выглядит упрощенный пример работы датчика. Чтобы акселерометр давал точные результаты для его изготовления требуются максимально точные пропорции и расчеты. Датчик не создается вручную. Для его изготовления используются химические реакции и полностью автоматизированное производство.

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?

Любой акселерометр-браслет намного удобнее, чем смартфон, используемый в тех же целях. Можно выделить следующие преимущества таких устройств:

  • Носить телефон в руке для того, чтобы фиксировать все данные при движении, неудобно. К тому, же его нельзя брать с собой при занятиях плаванием. Фитнес браслет надежно крепится на руке и сопровождает своего владельца повсюду.
  • Чтобы использовать смартфон в качестве фитнес-браслета, потребуется постоянно держать его подключенным к интернету и другим приложениям. Фитнес-браслет достаточно синхронизировать с интернетом всего один раз в сутки.
  • Чтобы сохранить данные в телефоне также потребуется использование специальных программ. В браслете сохранение данных осуществляется автоматически без загрузки каких-либо дополнительных приложений.

Отличия акселерометра от гироскопа

Сегодня многие не знают, чем отличается гироскоп от акселерометра. Многие путают даже названия этих устройств. Между тем, главное отличие заключается в принципе работы акселерометра и гироскопа. Если акселерометр замеряет уровень наклона по отношению к земле путем расчета собственного успокоения, то гироскоп производит замер угла наклона относительно земли. Эти острова могут работать по отдельности, но в большинстве смартфонов он устанавливаются совместно, дополняя работу друг друга.

Акселерометр: что это и как он работает в современной технике?

Что такое гироскоп? - фотография 40 - изображение 40

Если рассматривать акселерометр, что это, станет понятно, когда будет определена его сфера применения. Она охватывает ноутбуки, мобильные телефоны, разнообразные игровые устройства, а также автомобили. Само предназначение этого приспособления заключается в измерении кажущегося ускорения.

Разновидности - фото 41 - изображение 41

Сфера применения

Датчик акселерометр в мобильном телефоне используется для множества целей. К примеру, для смены ориентации экрана. Либо при выполнении определенных функций при встряхивании девайса. Не стоит забывать и об играх, так как сейчас именно они берут на себя основную сферу применения акселерометров. Эти датчики имеются в разнообразных контроллерах игровых консолей, используются они и в шлеме виртуальной реальности от Sony. Если рассматривать акселерометр, что это, то стоит сказать о его особом значении в ноутбуках, точнее в жестких дисках, установленных там. Все знают о чрезвычайной хрупкости винчестеров, а в случае с лэптопами вероятность их повреждения становится в разы выше. При падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения, после чего отдает команду на парковку головки винчестера, что позволяет предотвратить не только повреждение устройства, но и потерю данных.

Первое появление в мобильной индустрии - изображение 42 - изображение 42

Альтернативные сферы применения

Аналогичный принцип используется в автомобильном видеорегистраторе. В моменты резкого торможения, перестроения и ускорения транспортного средства на видеозаписи остается специальный маркер, защищающий ее от стирания и перезаписи, благодаря чему существенно облегчается разбор ДТП в дальнейшем. Если рассматривать акселерометр, что это такое и где он используется, то стоит сказать, что наиболее перспективным рынком для этих приспособлений является автомобильный. В игровых консолях и мобильных телефонах он используется исключительно в развлекательных целях, а вот в автомобилях на их работе основываются все системы безопасности. Датчик акселерометр обеспечивает работу систем развертывания подушек безопасности, АБС, адаптивного круиз-контроля, системы стабилизации, адаптивной подвески и прочих важных систем. Если учесть, что внимание производителей автомобилей на данный момент больше всего направлено в сторону обеспечения безопасности, то сфер применения акселерометров будет становиться все больше и больше.

Как определить наличие гироскопического датчика в устройстве? - фотография 43 - изображение 43

Идеи

При том что рамки использования акселерометров определены достаточно четко, разработчики все еще думают над тем, в каких еще целях применимы эти устройства. К примеру, было предложено использовать в качестве датчика землетрясений акселерометр в смартфоне. Что это, станет понятно, если рассмотреть устройство более подробно. В результате экспериментов стало понятно, что акселерометр способен улавливать сильные толчки более пяти балов по шкале Рихтера, однако он должен находиться вблизи эпицентра землетрясения. Конечно, такой результат сложно назвать впечатляющим, однако ученые убеждены в том, что точность приспособлений со временем будет только расти, что позволит в будущем им определять землетрясения меньшей силы.

Калибровка акселерометра телефона - фотография 44 - изображение 44

Применение новых возможностей

В связи со всем сказанным ранее остается только один вопрос: зачем телефонному акселерометру измерять силу толчков, если уже существует датчик землетрясений? Ученые решили создать в будущем сеть из смартфонов в сейсмически активных районах. Теория такова, что все сигналы с этих устройств будут поступать при землетрясении в аналитический центр, благодаря чему можно будет определить районы, больше всего пострадавшие от стихии, чтобы координировать спасательные операции более эффективно. Идея не просто очень интересная, а довольно востребованная в некоторых уголках планеты, но сейчас пока еще сложно представить ее реализацию на практике.

Итоги - фото 45 - изображение 45

Устройство

Если рассматривать акселерометр, что это, станет понятно после изучения его конструкции. В зависимости от архитектуры на данный момент существует несколько типов устройств. Работа акселерометра вполне может базироваться на конденсаторном принципе. В такой системе подвижная часть выполнена в виде обычного грузика, смещаемого в зависимости от того, в какую сторону наклонено устройство. По мере его смещения происходит изменение емкости конденсатора, а конкретнее, напряжения. Эти данные позволяют получить смещение грузика, а вместе с ним и искомое ускорение. Именно так и работает акселерометр гироскоп.

Наиболее распространенным типом являются пьезоэлектрические системы. В их основе лежит грузик, воздействующий под давлением на пьезокристалл. В ответ на это он вырабатывает электрический ток, благодаря чему можно рассчитать искомое ускорение, если известны параметры всей системы.

Акселерометры представлены еще в одном варианте, который в корне отличен от описанных выше. Их называют термальными. В их архитектуре предусмотрено использование воздушного пузырька. Ускорение приводит к его отклонению от начального положения, что фиксируют специальные датчики. Величину ускорения можно рассчитать, если знать, на сколько воздушный пузырек сместился при движении.

Акселерометр: что это?

В планшете и смартфоне этот датчик используется чаще всего для реакции устройства на поворот и иные манипуляции. Это позволяет экрану тоже поворачиваться. В играх акселерометры тоже используются весьма активно, ведь управление в данном случае осуществляется посредством наклонов смартфона или планшета.

Принцип работы маятникового акселерометра

X.1. Тензорезисторные акселерометры - фото 46 - изображение 46

В основе принципа действия любого акселерометра лежит свойство тел сохранять свое положение неизменным при ускоренном движении основания, на котором они каким-то образом закреплены.

Маятниковые акселерометры с электрической пружиной (рисунок 6) используются в системах стабилизации центра масс РН в позиционном и интегрирующем вариантах. Известно достаточно большое разнообразие конструктивных схем маятниковых акселерометров. Однако общим для них признаком является наличие механической системы, связанной с маятником, и электрической или фотооптической (а также электростатической, емкостной) системы съема полезной информации.

Компенсационный метод измерения, положенный в основу большинства маятниковых акселерометров, в принципе, обеспечивает высокую точность измерения. Реализация этого метода в акселерометрах осуществляется с помощью компенсирующих силовых или моментных устройств, основанных на различных физических принципах - механических, электромагнитных, электростатических.

Методы и средства измерения ускорений - фото 47 - изображение 47

Рисунок 6 - Маятниковый акселерометр с электрической пружиной

Принцип работы акселерометра - фотография 48 - изображение 48

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитоэлектрические преобразователи, в которых компенсирующие момент или сила создаются за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого током обратной связи, который протекает по обмотке преобразователя, с полем постоянного магнита. Подобные преобразователи обеспечивают получение необходимых моментов (сил) при малых габаритах и имеют приемлемую на данном этапе стабильность параметров.

Принцип действия маятникового акселерометра при разомкнутом ключе (интегрирующий вариант) заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения Wz, направленного по оси OZ, подвижная рамка с маятником, стремящимся сохранить свое положение неизменным, начнет разворачиваться относительно неподвижной рамки. В результате относительного вращения рамок магнитный поток подвижной рамки, пересекая витки обмотки неподвижной рамки, вызовет в ней электродвижущую силу. Напряжение, снимаемое с обмотки неподвижной рамки, после усиления в усилителе поступает через конденсатор и гибкие токопроводы на обмотку подвижной рамки и вызовет в ней ток обратной связи iос. Этот ток, в свою очередь, вызовет магнитный поток

Принцип работы акселерометра - фотография 49 - изображение 49

подвижной рамки. Взаимодействие магнитного потока постоянного магнита с осредненным значением магнитного потока от тока обратной связи явится причиной возникновения механического момента обратной связи Mос, направленного против момента инерционных сил Mи.

Если допустить, что кажущееся ускорение Wz постоянно, то в установившемся режиме наступит равенство между указанными моментами, т.е. Mос=Mи, а мерой измеряемого ускорения может служить сила тока iос в цепи обратной связи маятникового акселерометра, протекающего по обмотке подвижной рамки.

При разомкнутом ключе и полной идеализации всех звеньев цепи обратной связи можно считать, что

Принцип работы акселерометра - фото 50 - изображение 50

(1.1)

Так как Ми=mlWx, то при Мос=Ми получим

Принцип работы акселерометра - фотография 51 - изображение 51

(1.2)

или после интегрирования при нулевых начальных условиях

Принцип работы акселерометра - фотография 52 - изображение 52

(1.3)

Очевидно, что интеграл от кажущегося ускорения равен кажущейся скорости, т.е.

Принцип работы акселерометра - фото 53 - изображение 53

(1.4)

где tк – интервал интегрирования, поэтому

Принцип работы акселерометра - изображение 54 - изображение 54

(1.5)

При замкнутом ключе и тех же исходных данных

Принцип работы акселерометра - фотография 55 - изображение 55

(1.6)

Таким образом, один и тот же маятниковый акселерометр может быть при гибкой обратной связи интегрирующим, а при жесткой – позиционным. Это обстоятельство широко используется при начальной выставке систем управления летательных аппаратов и при управлении их движением в полете. Так, при разомкнутом ключе повышается точность начальной выставки комплекса командных приборов, поскольку при гибкой обратной связи исключаются статистические погрешности маятникового акселерометра с электрической пружиной, как простейшего контура системы автоматического регулирования.

Принцип работы акселерометра - фото 56 - изображение 56

В акселерометрах компенсационного типа для получения информации о величине ускорения используется датчик угла (ДУ). Наибольшее распространение как в навигационных, так и в промышленных образцах акселерометров получили фотодатчики (ФД) и датчики емкостного типа (ЕД).

Использование ФД позволяет для усиления полезного сигнала использовать относительно несложные электронные схемы. В типичном акселерометре компенсационного типа применен такой ДУ.

Основными элементами этого измерительного устройства являются:

- светодиод SD;

- два фотодиода VD1 и VD2;

- шторка, жестко закрепленная с маятником, и расположенная между свето- и фотодиодами;

- предварительный усилитель аналогового (линейного) сигнала DA, охваченный сопротивлением обратной связи Roc;

- сопротивление, преобразующее напряжение в ток обратной связи RI;

- обмотка датчика момента (ДМ) L.

Принцип действия данного маятникового акселерометра в аналоговом (штатном) режиме заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения Авх, направленного вдоль оси чувствительности, маятник и жестко связанная с ним шторка, стремящаяся сохранить положение неизменным, начнет разворачиваться относительно корпуса акселерометра. В результате относительного вращения один из светодиодов будет засвечиваться больше, чем другой. Вследствие чего возникнет разность потенциалов на выходе ДУ. Это напряжение будет подано на вход предусилителя и после усиления в виде тока обратной связи поступит в обмотку ДМ. ДМ сформирует компенсирующий момент, который возвратит маятник в исходное состояние. Таким образом, по

Принцип работы акселерометра - фото 57 - изображение 57

величине тока обратной связи можно будет судить о значении кажущегося ускорения.

В момент начала движения маятника акселерометра на него действует сила трения покоя, которая вводит погрешность в измерения (порог чувствительности).

Как известно, эту погрешность можно уменьшить если "возбудить" опоры. Это приводит к уменьшению паразитного момента и сил трения, снизит погрешности измерения. Эквивалентным режиму “возбуждения” опор является автоколебательный режим работы чувствительного элемента.

Что такое акселерометр в телефоне

Принцип работы акселерометра - изображение 58 - изображение 58

Современный смартфон – это технически сложное устройство, которое обладает огромным количеством сложных датчиков и модулей, которые объединены в одном компактном корпусе. Одним из самых необходимых датчиков, установленных в любом современном мобильном телефоне, является акселерометр.

Содержание статьи

  • Принцип работы акселерометра
  • Акселерометр в телефоне

Акселерометр – это устройство, предназначение которого заключается в фиксации ускорения. Благодаря способности регистрации изменения ускорения в единицу времени, этот датчикможно использовать во всех случаях, когда необходимо измерять параметры перемещения, т.е. узнать положение объекта в пространстве. На основе описанного явления можно организовать работу множества современных устройств – шагомера, датчика ориентации в пространстве, спидометра и т.д.

Поскольку область применения акселерометра весьма широка, один такой датчик способен заменить сразу несколько специальных регистраторов. Это значительно упрощает разработку многих вспомогательных функций в современных электронных устройствах. В частности, любой современный смартфон оснащается акселерометром, что позволяет ему быть сразу и картой, и измерителем пройденного расстояния, и даже компасом.

Принцип работы акселерометра

Несмотря на кажущуюся сложность, с технической точки зрения акселерометр – это простой прибор.

Суть конструкции основана на регистрации перемещения некоторого груза (инертной массы), зафиксированного на пружинке. В изолированном герметичном корпусе собирается простейший механизм, который включает в себя некоторую массу, пружинку и демпфер. Демпфер исключает инерционные раскачивания грузика, которые для контроллера являются паразитными и приводят к сбоям.

Принцип работы акселерометра - фото 59 - изображение 59

Легче всего такой датчик можно представить, вспомнив конструкцию детских ушек-звездочек на пружинке.

Инертная масса внутри датчика, в результате перемещения корпуса акселерометра, отклоняется на некоторый угол с определённой скоростью. Это отклонение фиксируется контроллером акселерометра. Исходя из зарегистрированной величины, высчитываются ускорение, определяется положение объекта и другие параметры.

Описаниеакселерометра, который используется практически в любом современном мобильном телефоне, будет мало отличаться. Принципиальный способ регистрации не изменяется, но меняется размер самого датчика. В смартфонах и телефонах – это маленький блок, размером не более 0,5 см.

Важный момент заключается и в том, что инженерам удалось добиться значительного уменьшения размера акселерометра без потери его высокой точности и надежности. Сделать это получилось за счёт некоторой доработки конструкции. Инертная масса внутри датчика была оснащена дополнительными «ножками». Фактически оказывается, что в устройстве установлен не один датчик, а сразу шесть.

Принцип работы акселерометра - фотография 60 - изображение 60

Акселерометр в телефоне

Сегодня сложно представить себе мобильный гаджет, который не был бы оснащен акселерометром. Широкое распространение датчик получил из-за небольшого размера, высокой точности и большой надежности. Его наличие позволяет реализовать многие современные функции на мобильном устройстве без лишних затра труда.

Привычныйповорот экрана смартфона работает именно благодаря наличию акселерометра. Аналогичный способ измерения отклонения корпуса телефона от занимаемого положения используется и в видеоиграх. Пользователь управляет героем с помощью перемещения смартфона в пространстве.

Спидометр в телефоне функционирует также благодаря наличию акселерометра. Отклонение инертной массы позволяет измерить изменение скорости тела. Этот же эффект позволяет определять пройденное расстояние или узнавать направление движения.

В современных мобильных устройствах акселерометр дополняется гироскопом, что увеличивает точность измерений.

 

Акселерометр - что это такое и зачем нужен?

Принцип работы акселерометра - фотография 61 - изображение 61

Благодаря развитию технического прогресса у людей появилась возможность использовать достаточно большой набор инструментов, при этом нося с собой только один смартфон. Однако есть маленькая деталь, без которой использование данного устройства было бы не так удобно – акселерометр. Что это такое и почему он так важен?

Определение и история

Основной функцией данного прибора является измерение ускорения наземного транспорта, летательных аппаратов, ракет и другой техники. Впервые он появился в конце XIX века. Устройство устанавливали на поезда и автомобили, чтобы иметь возможность отслеживать скорость, с которой они передвигаются.

Шкала отображала все возможные и максимально допустимые значения для конкретного вида транспорта. Такое строение позволяло предотвратить превышение скоростного режима и не допустить разрушения двигателя. Но был у этого помощника и один недостаток. Что это? Акселерометр был крайне громоздким. Так что впоследствии конструкция все время изменялась.

Принцип работы акселерометра - фото 62 - изображение 62

В Россию первые такие устройства попали уже в комплекте автомобилей Ford и Mercedes-Benz. Также они шли вместе с паровозами, произведенными в Германии. Была лишь одна проблема. Она заключалась в том, что эти акселерометры не выдерживали холодный климат. А потому предприятиям транспортного машиностроения России пришлось разрабатывать собственные модели.

Разновидности

Различают следующие разновидности акселерометров:

  • Емкостный. Отслеживает изменение емкости между статическим состоянием и динамическим.
  • Пьезоэлектрический. Устройство работает за счет одноименного эффекта (в зависимости от давления на кристаллы, появляется электрический потенциал).
  • Пьезорезистивный. Измеряет электрическое сопротивление в зависимости от приложенного механического давления.
  • Устройство с эффектом Холла. Замеряет изменения в напряжении, происходящие по причине перемен в магнитном поле вокруг самого прибора.
  • Магнитно-резисторный. Фиксирует изменения в магнитном поле. В отличие от предыдущего измеряет сопротивление.
  • Прибор теплопередачи. В зависимости от ускорения измеряет перемены в теплоотдаче.

Новое время

Принцип работы акселерометра - фото 63 - изображение 63

На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.

Мобильная индустрия

Принцип работы акселерометра - фото 64 - изображение 64

Выше уже было сказано о том, что акселерометр – это устройство, позволяющее измерять и регулировать изменение скорости передвижения транспорта. Тем не менее сегодня его можно встретить и в сотовых телефонах.

Первое устройство

Принцип работы акселерометра - изображение 65 - изображение 65

Первым мобильным устройством, получившим акселерометр, стал Nokia 5500. В столь маленьком корпусе не было возможности использовать устройство в его оригинальной форме. В силу этого было решено использовать миниатюрный чип. Внутри него находилась инертная масса. Возникает резонный вопрос: какую функцию выполнял первый акселерометр в телефоне. Что это было? То же, что крайне популярно сейчас в различных фитнес-браслетах и прочих устройствах – шагомер.

Как это работает

Общий алгоритм работы не слишком отличается от изначального прибора. Чип встраивался по принципу неподвижной конструкции с прикрепленными проводниками. Находящаяся внутри инертная масса, подвергаясь ускорению, изменяет свое местонахождение в пространстве. Благодаря этому сдвигу устройство получает данные обо всех изменениях местоположения. Отходящие от устройства проводники находились между контактами, снимающими показания счетчика.

По причине крайне малого размера всех деталей чипа производство деталей производится без вмешательства человека - только автоматизированные конвейеры.

Стоит отметить, что акселерометр в смартфоне – это деталь, позволяющая сохранять важные данные. К примеру, при нахождении устройства в полете (падение или перекидывание) прибор определяет это состояние и отдает команду о блокировке самых хрупких деталей, отвечающих за запись данных. Например, так происходит с записывающей головкой жесткого диска ноутбука.

Однако в современных гаджетах можно встретить не только акселерометр, но и гироскоп.

Что такое гироскоп?

Принцип работы акселерометра - изображение 66 - изображение 66

На фото выше можно увидеть роторный гироскоп. Это устройство, реагирующее на изменение угла наклона относительно поверхности Земли. Самый простой пример - юла. Оно было изобретено в 1817 году. Его преимуществом стала возможность работы в достаточно плохих условиях, таких как:

  • низкий уровень видимости;
  • наличие электромагнитных помех;
  • тряска поверхности и многие другие.

Разновидности

На данный момент различают две основных категории данных устройств.

По степени свободы:

  • двухстепенной;
  • трехстепенной.

По принципу действия:

  • оптический;
  • механический.

Первое появление в мобильной индустрии

Принцип работы акселерометра - фотография 67 - изображение 67

Самым первым представителем этой сферы, получившим гироскопический датчик, стал смартфон от компании Apple – iPhone 4. Эта функция позволила изменять ориентацию телефона с книжной на альбомную, в зависимости от его положения в пространстве.

Подобное нововведение было крайне популярно среди покупателей, а потому другие фирмы-производители мобильных устройств достаточно быстро подхватили идею, начав установку данного элемента в собственные телефоны. Стоит отметить, что все последующие модели iPhone на обязательной основе включали в себя эту функцию.

Однако устройства на платформе Android не всегда обладают гироскопическим датчиком. Потому перед тем как приобрести устройство с данной операционной системой, стоит справиться о наличии гироскопа в устройстве. Это можно сделать:

  • найдя список характеристик в Интернете;
  • спросить у консультанта в магазине.

Предпочтительно первое, так как не всегда консультанты осведомлены об особенностях той или иной модели смартфона.

Как определить наличие гироскопического датчика в устройстве?

Как было сказано выше, можно ознакомиться с характеристиками телефона на сайте производителя или магазина, занимающегося его продажей. Чаще всего наличие данного элемента указывается в обязательном порядке.

Еще один вариант – проверка на видео, работающем в 360 градусов. Если при его просмотре есть функция поворота изображения в любом допустимом направлении – значит, датчик присутствует.

И последний вариант – проверка приложением AnTuTu Benchmark. Оно проводит полную диагностику смартфона и в обязательном порядке указывает наличие данного компонента.

Калибровка акселерометра телефона

Принцип работы акселерометра - изображение 68 - изображение 68

Наличие такого элемента в современном смартфоне крайне важно. Оно позволяет устройству выполнять ряд крайне важных функций:

  • поворот дисплея;
  • выполнение действий при встряхивании экрана;
  • обеспечение работы шагомера;
  • демонстрация настоящего положения в пространстве.

Далее будет приведен пример того, как откалибровать акселерометр Xiaomi. Данная инструкция подойдет как для мобильных устройств данного производителя, так и для многих других смартфонов на платформе Android. Она достаточно проста и не требует много времени и знаний о работе с функциями телефона. Для запуска калибровки экрана необходимо выполнить следующую последовательность действий:

  • выбрать меню «настройки»;
  • перейти в пункт «дисплей»;
  • нажать на функцию «калибровка акселерометра». Далее она сама проведет настройку правильного отображения изображения на экране в различных положениях.

Итоги

Несмотря на то, что акселерометр и гироскоп появились как устройства для применения в сфере машиностроения, сегодня ни один смартфон не может считаться полноценным, если эти компоненты отсутствуют. Указанные выше функции делают его использование максимально комфортным. Поэтому перед приобретением телефона обязательно убедитесь в их наличии среди списка его основных характеристик.

X.1. Тензорезисторные акселерометры

Принцип работы акселерометра - фотография 69 - изображение 69

Средства измерения параметров динамической системы станка

Структурная схема измерения параметров динамической системы станка включает (рис. 125) измерительный преобразователь ИП, усилитель У, регистрирующий измери­тельный прибор РП и блок питания БП. Преобразователь (датчик) пред­назначен для образования измеритель­ного сигнала, т. е. он преобразует неэлектрические параметры (длину, ме­ханические напряжения, температуру и др.) в электрические (напряжение, ток и др.). Первые характеризуют воздействие на ИП и называются входными параметрами, вторые — ре­зультат воздействия и называются вы­ходными параметрами.

Структурная схема измерения параметров динамической системы станка

Принцип работы акселерометра - фотография 70 - изображение 70

ИП – измерительный преобразователь

У – усилитель

РП – регистрирующий измерительный прибор

БП – блок питания

Принцип работы акселерометра - изображение 71 - изображение 71

Рис. 125. Структурная схема измерения параметров ДС станка

Одной из основных характеристик преобразователя является чувствитель­ность:

Принцип работы акселерометра - фотография 72 - изображение 72

! или

Принцип работы акселерометра - фотография 73 - изображение 73

где H — изменение выходного пара­метра;

N — изменение входного пара­метра;

Принцип работы акселерометра - изображение 74 - изображение 74

— угол наклона касатель­ной.

Преобразователь высокой чувстви­тельности, как правило, имеет малый рабочий диапазон измерения и наобо­рот .

К числу важных технических характеристик преобразователей относятся также диапазон рабочих частот, температур и чувствительность к раз­личным помехам: электрическим и маг­нитным полям, механическим напряже­ниям, акустическим шумам и т. п. При использовании нестандартных пре­образователей во избежание ошибок характеристики необходимо проверять самостоятельно.

В экспериментальных исследованиях динамических систем станков преимущественное распространение получили преобразователи двух групп, работающие по принципу:

электрического сопротивления

электрического генератора.

Требования, предъявляемые к датчикам:

· Отсутствие вредных воздействий на организм человека

· Необходимая чувствительность и точность

· Высокая перегрузочная способность

· Устойчивость к механически, техническим и температурным воздействиям измеряемой и окружающей сред.

· Малая чувствительность к неизменяемым параметрам и компонентам полей (электрических, магнитных, гравитационных и др.)

· Унификация и взаимозаменяемость

· Удобство встраивания в исследуемый объект

· Малая масса и размеры

· Экономичность и технологичность

Датчики, которые обеспечивают получение информации в некотором непрерывном интервале значений физической величины называются аналоговыми датчиками. По виду изменяемого выходного электрического параметра аналоговые датчики делятся на 3 группы: с изменяемым выходным напряжением, током или сопротивлением.

Пример: 3 температурных датчика: в термопаре - в зависимости от измеряемой температуры изменяется напряжение, в терморезисторе – сопротивление, а в фотодиоде – электрический ток.

66 Преобразователи 1-ой группы, работающие по типу электрического сопротивления

Принцип работы акселерометра - изображение 75 - изображение 75

Датчики этой группы называются ещё резистивными.

Принцип работы:

Неэлектрическое измеряемое физическое воздействие N вызывает изменение электрического сопротивления R. Вследствие этого изменяется ток I в электрической цепи, питаемой стабилизированным источником питания Е. Изменение тока регистрируют прибором мА.

К этой группе датчиков относятся тензометрические преобразователи (тензопреобразователи), индуктивные, магнитоупругие, магниторезистивные, термосопротивления (терморезисторы).

66.1 Тензометрические преобразователи.

Тензометрические датчики, т.н. датчики омического сопротивления или тензопреобразователи, тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под влиянием деформации детали, на которой укрепляется тензорезистор. Чувствительные элементы тензорезисторов (рис. ) выполняются в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки Ø 0,02 …0,05 мм или фольги в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки.

Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объект исследования основу закрепляют также посредством клея. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы 1.

Принцип работы акселерометра - фотография 76 - изображение 76

Рис. Тензорезисторы омического сопротивления

а – с проволочным чувствительным элементом, б – с фольговым чувствительным элементом, в – база.

Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации.

       Недостаток: датчики чувствительны к изменениям температуры. Для измерения деформации детали тензодатчики наклеивают на нее.

66.2 Термоэлектрические преобразователи.

Представителями термоэлектрических датчиков является терморезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, т.е. в терморезисторах в зависимости от температуры изменяется сопротивление.

67 Преобразователи 2-ой группы, работающие по типу электрического генератора

Принцип работы акселерометра - фотография 77 - изображение 77

Датчики этой группы называются ещё генераторными.

Принцип работы:

Неэлектрическое измеряемое физическое воздействие N непосредственно преобразуется в электрическое напряжение Е. Специальный источник энергии отсутствует. Изменение напряжения регистрируют прибором мВ. К этой группе датчиков относятся пьезоэлектрические, индукционные, вихретоковые и  термоэлектрические преобразователи.

5.1.1 Датчики, работающие по типу электрического сопротивления.

К этой группе датчиков относятся тензометрические, индуктивные, магнитоупругие, магниторезистивные, термосопротивления (терморезисторы).

68. Тензометрические преобразователи

Тензорезистор – плоский элемент (R1 и R2) состоящий из двух склеенных слоёв тонкой бумаги и петлеобразно расположенной между ними проволоки диаметром 15...30 мкм. Наклеенные на деталь преобразователи деформируются вместе с ней, при этом изменяется поперечное сечение, длина и удельное сопротивление проволоки и следовательно первоначальное сопротивление проволоки R на ΔR:

ΔR = RS0ε

где S0 – относительная чувствительность материала проволоки; ε – относительное изменение длины проволоки.

Принцип работы акселерометра: при ускорении сила инерции F = ma изгибает пружину и вызывает напряжение, пропорциональное массе и ускорению.

Тензометрические датчики омического сопротивления или тензопреобразователи, тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под влиянием деформации детали, на которой укрепляется тензорезистор. Чувствительные элементы тензорезисторов (рис. ) выполняются в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки Ø 0,02 …0,05 мм или фольги в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки.

       Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объект исследования основу закрепляют также посредством клея. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы 1.

Рис. Тензорезисторы омического сопротивления

а – с проволочным чувствительным элементом, б – с фольговым чувствительным элементом, в – база.

Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации.

       Недостаток: датчики чувствительны к изменениям температуры. Для измерения деформации детали тензодатчики наклеивают на нее.

Тензометрические преобразователи относятся к преобразователям 1-ой группы датчиков, т.е. к резистивным датчикам. К тензометрическим датчикам относятся  проволочные, реже фольговые тензопреобразователи. Эти датчики являются контактными, они представляют собой плоские элементы R1 и R2 (рис. 127, а) состоящие из двух, склеенных слоев тонкой бумаги и петлеобразно расположенной между ними проволоки диаметром 15—30 мкм. Наклеенные на какую-либо нагружаемую деталь преобразователи деформируются вместе с металлом. Изменяется поперечное сечение, длина и удельное сопротивление проволоки, а следовательно, и ее первоначальное сопротивление R на величину DR:

Принцип работы акселерометра - фотография 78 - изображение 78

или

Принцип работы акселерометра - фотография 79 - изображение 79

                                                 ()

где S0 — относительная чувствительность материала проволоки;

Принцип работы акселерометра - фото 80 - изображение 80

— относительное изменение длины проволоки.

Изменение сопротивления тензопреобразователя и ток в измерительной цепи пропорциональны напряжению металла в местах наклейки. Поэтому с его помощью можно измерять силы, перемещения, давления, ускорение и т. д.

Принцип работы акселерометра - изображение 81 - изображение 81

Тензопреобразователи различают по величине сопротивления R и базы l. Относительная чувствительность по­вышается с увеличением базы до 15 мм (рис. 127, б). Рекомендуется выби­рать

Принцип работы акселерометра - изображение 82 - изображение 82

 мм.

Для заданного материала величина S0 практически постоянна. Благодаря этому можно исключить непосредст­венную тарировку тензометрического устройства, используя формулу (136) и зависимость

Принцип работы акселерометра - фотография 83 - изображение 83

 от модуля упруго­сти Е:

Принцип работы акселерометра - фотография 84 - изображение 84

.

Все шире применяют полупроводни­ковые преобразователи, в том числе тензорезисторы, у которых при де­формации изменяется удельное со­противление. Их относительная чувст­вительность в десятки раз выше, чем проволочных.

Для измерения малых перемещений бесконтактным методом применяются индуктивные преобразователи. Принцип их работы состоит в изменении сопротивления магнитопровода с изме­нением воздушного зазора магнитной цепи или магнитной проницаемости железного сердечника, входящего в магнитную цепь.

X. Акселерометры

Принцип действия акселерометров аналогичен принципу действия преобразователя абсолютных виброперемещений. Однако их максимальная рабочая частота ниже частоты собственных колебаний инерционного элемента. В этом случае сила инерции груза слишком мала, чтобы удерживать его в неподвиж­ном состоянии, как это имеет место в преобразователях виброперемещеннй. Сила инерции вызывает отклонения груза по отношению к корпусу, пропорцио­нальные квадрату частоты, т. е. прямо пропорциональные ускорению. Эти отклонения можно измерять встроенным преобразователем перемещений. Для получения возможно более широкого диапазона рабочих частот акселеромет­ра частота его собственных колебаний должна быть по возможности высокой (масса груза небольшой, а пружина очень жесткой). Диапазон рабочих ча­стот оптимально демпфированных акселерометров находится в пределах от 0 до 60 % частоты их собственных колебаний [13]. 

Измерительные преобразователи, сигнал которых пропорционален виброускорению, называются акселерометрами. Акселерометры являются основным средством измерения характеристик вибраций. Их широкое распространение обусловлено тем, что именно акселерометры обладают наиболее высокими эксплуатационными качествами. Знание виброускорений позволяет сравнительно прости определить другие параметры вибрации (однократное интегрирование – дает параметр виброскорости, двойное интегрирование – значение амплитуды колебания).

X.1. Тензорезисторные акселерометры

В тензорезисторных акселерометрах инерционный элемент изгибает плоскую пружину, а проволочные тензорезисторны, наклеенные на пружину, изменяют свое сопротивление пропорционально её деформации.

Акселерометрами(рис. 127, а) с помощью тензопреобразователей R1 и R2 можно измерять вертикальное ускорение

Принцип работы акселерометра - фотография 85 - изображение 85

 детали. Сила инерции

Принцип работы акселерометра - изображение 86 - изображение 86

, действующая со стороны груза массой m, изгибает пружину 2 и вызывает напряжение

Принцип работы акселерометра - изображение 87 - изображение 87

, пропорциональное массе т и ускорению:

Принцип работы акселерометра - фото 88 - изображение 88

.

Акселерометр на проволочном тензорезисторном преобразователе

Принцип работы акселерометра - изображение 89 - изображение 89

Тензорезисторный измерительный преобразователь больших сил

Принцип работы акселерометра - изображение 90 - изображение 90

Применение:измерение действующих сил (электрический динамометр).

Принцип работы: тензорезисторы 3 наклеиваются на специально подготовленные места упругого элемента 1. Корпус 2 обеспечивает защиту тензорезисторов и закрепление выводных проводов. В данном случае упругий элемент работает на сжатие и его деформация передается проволочкам тензорезистора, активное сопротивление которых изменяется пропорционально этой деформации.

69. Индуктивные преобразователи

ИндуктивностьL электромагнитной системы, содержащей обмотку и фер- ромагнитный сердечник с небольшим воздушным зазором

Принцип работы акселерометра - изображение 91 - изображение 91

, зависит от числа витков w, активного магнитного сопротивления сердечника , магнитного сопротивления воздушного зазора

Принцип работы акселерометра - фото 92 - изображение 92

 и реактивной составляющей магнитного сопротивления хм, обусловленной вихревыми токами и потерями на гистерезис:

Принцип работы акселерометра - фотография 93 - изображение 93

Все эти параметры по­ложены в основу построения различных индуктивных преобразователей.

Принцип работы акселерометра - фото 94 - изображение 94

Индуктивный бесконтактный преобразователь с ферритовым сердечником

Принцип работы акселерометра - фотография 95 - изображение 95

Конструкция бесконтактного индуктивного преобразователя с ферритным сердечником для исследования колебаний столов, суппортов и вращающихся шпинделей приведена на рис. 128, а. Сопротивление магнитопровода изменяется с изменением зазора

Принцип работы акселерометра - изображение 96 - изображение 96

 между ферритовым сердечником 2 и колеблю­щейся деталью 1, которая выполняет роль якоря. Катушка 3 имеет 400 витков из проволоки ПЭЛ—0,1 мм. Чувствительность преобразователя в комп­лекте с усилителем ТА-5 и осцилло­графом Н-700: в статике

Принцип работы акселерометра - изображение 97 - изображение 97

мм/мкм; на частоте исследуемо­го процесса 100 Гц

Принцип работы акселерометра - фотография 98 - изображение 98

мм/мкм (для схемы включения по рис. 129, а). В качестве выходного параметра здесь принято перемещение «зайчика» на эк­ране осциллографа, пропорциональное току преобразователя.

Индуктивные преобразователи имеют малый участок линейной характеристи­ки — рабочий участок

Принцип работы акселерометра - фотография 99 - изображение 99

 (рис. 128, б). При

Принцип работы акселерометра - фото 100 - изображение 100

6 = 0 в системе есть остаточный ток I0. Поэтому при исследовании устанавливают начальный зазор

Принцип работы акселерометра - изображение 101 - изображение 101

, с которого начинается линейная харак­теристика (система координат

Принцип работы акселерометра - изображение 102 - изображение 102

).

Индуктивные датчики относятся к бесконтактным и применяются для измерения положений узлов, малых перемещений (амплитуды колебания).

Принцип работы: сопротивление магнитопровода изменяется с изменением воздушного зазора магнитной цепи или магнитной проницаемости железного сердечника, входящего в магнитную цепь.

Принцип работы акселерометра - фотография 103 - изображение 103

Рис.

Бесконтактные датчики перемещений индуктивного типапред­назначены для прецизионного измерения перемещений (примерно 0,5, 1, 5, 50 мм), частоты вращения валов, зубчатых колес, имеют неболь­шие размеры (диаметр 10—60 мм, длина 25—50 мм), несущую частоту сигнала 2 – 40 кГц и позволяют измерять параметры вибрации вращаю­щихся узлов станка (валов, шпинделей и т. п.) относительно опор, т. е. могут использоваться в системах обеспечения точности станков. Например, фирма Deckel (Германия) совместно с Университетом. Дармштадт для пятикоординатных фрезерных станков скоростного фрезерования (частота вращения шпинделя 15 000-20 000 оборотов в минуту) разработала конструкцию прецизионного шпинделя.

Принцип работы акселерометра - изображение 104 - изображение 104

Рис. 9.39. Схема определения параметров траектории движения оси шпинделя: 1 – шпиндель; 2, 3 – бесконтактные датчики перемещения; 4, 5 – нормирующие преобразователи; 6 -  результаты измерения; 7 – траектория оси шпинделя; 8 – блок коррекции положения оси шпинделя

Разработала конструкцию прецизионного шпинделя на магнитных опорах, роль датчиков положения в котором играют индуктивные бесконтактные пре­образователи перемещений (рис. 9.39). Такие датчики выпускает, на­пример, фирма Hottinger Baldwin Messtechnik (Германия). В СНГ преобразователи такого типа производятся, как правило, в составе из­мерительной аппаратуры (например, скобы измерительные БВ-6182, БВ-6067 со встроенными индуктивными преобразователями и т. п.) [13].

Магнитоупругие индуктивные преобразователи

Свойство ферромагнитных материалов изменять свою магнитную прони­цаемость под действием создаваемых в них механических напряжений исполь­зуется для создания магнитоупругих индуктивных преобразователей [53| Их применяют для измерения крутя­щих моментов, малых перемещений в станках с ЧПУ. Здесь роль сердечни­ка обычно выполняет какая-либо конст­рукционная деталь, передающая на­грузку и выполненная специально из ферромагнитного материала (пермал­лой и др.).

Контактные измерительные приборы с индуктивными преобразователями используют для статических измере­ний или при небольших скоростях и ускорениях.

70. Мостовая схема включения преобразователей

Для повышения чувствительности пре­образователи первой группы включают по мостовой схеме (рис. 129). Преобразователи, которые изменяют свое сопротивление под воздействием входных параметров, называют активными

Принцип работы акселерометра - фото 105 - изображение 105

, если они не изменя­ют сопротивление,— пассивными (R0).

Чувствительнрсть мостовой схемы оп­ределяется отношением тока I0 в изме­рительной диагонали к входному параметру. Величина тока зависит от на­пряжения на диагонали моста U, от числа активных преобразователей, изменения их сопротивления

Принцип работы акселерометра - изображение 106 - изображение 106

 и способа включения в мостовую схему (рис. 129, в, см. индексы при R внутри мостовой схемы). Величину тока для рис. 129 определяют по формуле:

Принцип работы акселерометра - изображение 107 - изображение 107

                                        (137)

Принцип работы акселерометра - фотография 108 - изображение 108

Рис. 129. Экспериментальные характеристики индуктивных преобразователей с ферритовым сердечником, включенных по мостовой схеме:

а — с одним активным преобразователем Ri; б — с двумя активными преобразователями: -Ri,  +Ri; в - с двумя активными, неправильно включенными  преобразователями

Схема включения преобразователей

Принцип работы акселерометра - фото 109 - изображение 109

71. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрический преобразователь. В нем использован прямой пьезоэффект. Преобразователь широко применяется для изменения сил, давлений, уско­рений. На рис. 130, а представлена типовая конструкция акселерометра. При воздействии на корпус 1 механи­ческих колебаний с ускорением

Принцип работы акселерометра - фотография 110 - изображение 110

 инер­ционная масса m с силой

Принцип работы акселерометра - изображение 111 - изображение 111

 де­формирует пьезокерамические элементы 2. Возникающий электрический заряд q пропорционален силе F и следовательно, ускорению.

Чувствительность преобразователя определяется как отношение напряже­ния и (заряда q) на обкладках пьезоэлемента к воздействующему на него колебательному ускорению:

Принцип работы акселерометра - фото 112 - изображение 112

 или

Принцип работы акселерометра - изображение 113 - изображение 113

Для пьезоэлектрических преобра­зователей характерны малые габаритные размеры и масса (5—60 г), они работают в диапазоне от долей Гц до десятков кГц. Диапазон измеряе­мых ускорений

Принцип работы акселерометра - фото 114 - изображение 114

, высокая чувствительность

Принцип работы акселерометра - фото 115 - изображение 115

. При исследованиях преобразователь жестко прикрепляют к исследуемой детали; если рабочая частота

Принцип работы акселерометра - фотография 116 - изображение 116

 — преобразователи приваривают или приклеивают. Масса преобразователя не должна превышать 10% массы исследуемой детали. Диапазон рабочих частот выбирают.в пределах 30—20% резонансной частоты. Необходимо учитывать наличие поперечной чувствительности, достигающей 2-20%.

В этом типе датчиков в качестве чувствительных элементов используют кристаллы некоторых диэлектриков (кварца, сегенетовой соли, титаната бария, фосфата аммония и др.), которые обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте – возникновение при их деформации заряда на гранях пластинок вырезанных из кристаллов некоторых диэлектриков (кварца, сегенетовой соли, титаната бария, фосфата аммония и др.). Пьезоэффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластины, изготовленной из такого кристалла, на гранях появляется электрический заряд, пропорциональный действующий силе. Знак заряда зависит от вида деформации при переходе от сжатия к растяжению меняется на противоположный.

Наиболее широко применяют пластинки из кварца. Это объясняется его высокой механической и электрической прочностью. Пьезоэлектрические свойства кварца в меньшей степени зависят от температуры и не изменяются даже при температуре до 300° С. Хотя наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако применение её в измерительных приборах ограничена, т.к. пьезоэлектрические свойства сегнетовой соли в большей степени зависят от температуры, а при температуре 38° С почти полностью исчезает.

Пьезоэлектрические датчики относятся к группе генераторных преобразователей. Отличительной особенностью пьезоэлектрических преобразователей является невозможность измерения статической составляющей деформации. В следствие быстрого стекания образовавшегося на пластинах заряда. Пьезоэлектрические датчики широко применяются для измерения быстроменяющихся сил, давлений и параметров вибраций (акселерометр для измерения виброускорения).

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические акселерометры.

Пьезоэлектрические акселерометры

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические акселерометры (рис. 1.24). Корпус 5 крепится к изучаемому объекту. Силы инерции, действующие на инерционный элемент (груз) 4, воспринимаются пьезоэлемептом 1, который может работать как на сжатие (рис. 1.24, а), так и на сдвиг (рис 1.24, б). В первом случае груз прижимается к пьезоэлементам при помощи крышки 3 и тарельчатой пружины 2.

Современные акселерометры, могут измерять виброускорения от 10-3 до 105 м/с2 в диапазоне частот от 0,5 Гц до 50 кГц. Однако наиболее широко применяют акселерометры, рассчитанные на измерение ускорений до 104 м/с2

Принцип работы акселерометра - фото 117 - изображение 117

Принцип работы акселерометра - изображение 118 - изображение 118

Рис. 1.24.  Пьезоэлектрические акселерометры

с частотами до 10..15 кГц. Основная погрешность измерений 2..10%. Масса некоторых акселерометров составляет десятые доли грамма [13].

Для уменьшения погрешностей измерения виброускорений высокой частоты необходимо резьбовое крепления акселерометра уплотнять клеем. Кабель следует закреплять, особенно в непосредственной близости от акселерометра. Чрезмерно высокая чувствительность прибора обусловливает увеличение нелинейных искажений. После первичного преобразователя рекомендуется включать фильтр, ограничивающий с обеих сторон рабочий диапазон частот.

Акселерометр на пьезоэлектрических преобразователях

Принцип работы акселерометра - фотография 119 - изображение 119

Принцип работы: при воздействии на корпус 1 механических колебаний с ускорением a инерционная масса m с силой F = ma деформирует пьезокерамические элементы 2. Возникающий электрический заряд q пропорционален силе F и, следовательно ускорению.

Пьезоэлектрический датчик давления

Принцип работы акселерометра - фото 120 - изображение 120

Применение: измерение давления.

Принцип работы: давление Q при воздействии на корпус деформирует пьезокерамический элементы. Возникающий электрический заряд q пропорционален давлению.

Пьезоэлектрический трансформатор

Принцип работы акселерометра - изображение 121 - изображение 121

Пьезоэлектрический трансформатор (б), пьезоэлемент 1 с тремя электродами 7, 3 и 5, образующими две системы. Часть пьезоэлектрического трансформатора, подключенную к источнику питания, называют возбудителем, а часть, подключенную к измерительной схеме 4, - генератором. В возбудителе переменный ток за счет обратного пьезоэффекта преобразуется в энергию акустических волн, которые, зарождаясь на границах электродов, распространяются по всему объему трансформатора.

Применение: измерение переменных (а) и постоянных (б) сил.

Принцип работы: схема «измерительной шайбы» (а). При ее нагружении силой вдоль оси на поверхностях кварцевых пластинок 1 и 4 появляется пропорциональный нагрузке электрический заряд. Элементы 3 и 6 шайбы создают предварительное нагружение пластинок за счет завальцовки, что необходимо для повышения жесткости преобразователя. Пластинки кварца прилегают друг к другу гранями противоположной полярности, т. е. они включены в электрическую цепь параллельно. Сигнал с электрода 2 снимается проводником через вывод 5 и при помощи усилителя с большим входным сопротивлением преобразуется в соответствующее электрическое напряжение. Такой преобразователь позволяет измерять динамические силы высоких частот (до 100 кГц). Погрешность измерения не превышает 1%.

72. Преобразователи генераторной группы

К этой группе датчиков относятся пьезоэлектрические, индукционные, вихретоковые и термоэлектрические преобразователи.

Индукционный преобразователь. При движении электрического проводника длиной l со скоростью v относительно магнитного поля с индукцией В в про­воднике наводится электродвижущая сила E при числе витков w:

Принцип работы акселерометра - фотография 122 - изображение 122

Это явление электромагнитной индук­ции положено в основу работы индук­ционных преобразователей. Наводимая ЭДС пропорциональна измеряемой ли­нейной v или угловой w скоростям. На рис. 130, в показана схема индукци­онного преобразователя для измерения линейной скорости. Сердечник 1 вместе с катушкой 2 перемещается между. полюсами магнита N и S. Наводимая ЭДС пропорциональна скорости под­вижной части конструкции 3, скреплен­ной с сердечником.

В металлорежущих станках индукционные преобразователи широко используют для измерения скорости вра­щения (тахогенераторы постоянного и переменного тока). Для измерения . длины или ускорения на выходе преобразователя включают соответственно интегрирующий или дифференцирую­щий.контур.

72.1. Индукционные преобразователи

Принцип работы акселерометра - фотография 123 - изображение 123

Принцип работы акселерометра - фото 124 - изображение 124

Принцип работы акселерометра - изображение 125 - изображение 125

Рис. 130. Преобразователь группы электрического генератора:

а – пьезоэлектрический;

в – индукционный.

Их действие основано на эффекте возникновения Э.Д.С. в катушке при перемещении в ней магнита или перемещение катушки в магнитном поле (в том числе другой катушки). Индукционные датчики относятся к группе генераторных преобразователей и могут быть использованы для измерения скорости изменения динамических деформаций, т.к. Э.Д.С. на выводах катушки пропорционально скорости изменения магнитного поля.

Применение: измерение скорости вращения, длины и ускорения (со включенным интегрирующим или дифференцирующим контуром).

Принцип работы: для измерения линейной скорости сердечник 1 вместе с катушкой 2 перемещается между, полюсами магнита N и S. Наводимая ЭДС пропорциональна скорости подвижной части конструкции 3, скрепленной с сердечником.

72.2. Вихретоковые преобразователи

 

Принцип работы акселерометра - фото 126 - изображение 126

Во многих случаях хорошо себя зарекомендовали бесконтактные измерительные преобразователи относительных ви броперемещеиий. Действие такого преобразователя (рис. 1.25) основано на том, что в находящемся в магнитном поле рабочей катушки 2 токопроводящем колеблющемся теле 1 (объекте измерения) возникают короткозамкнутые (вихревые) токи, отсасывающие энергию поля. Поэтому амплитуда переменного тока в рабочей катушке зависит от расстояния х до колеблющегося тела, электропроводности и магнитных свойств его материала. Катушка 3 установлена для температурной компенсации. Обе катушки изолированы от корпуса 6 изоляционными втулками4 и 5 [13].

Бесконтактные датчики перемещений вихретокового типа Eddy Current Transducers по форме и размерам похожи на индуктивные, но отличаются несущей частотой сигнала (порядка 2—10 МГц), более высокими точностью и стоимостью (рис. 9.40). Нелинейность выходной характеристики системы датчик — нормирующий преобразователь может быть менее 0,2%. Такие датчики выпускаются фирмами Micro-Epsilon Messtechnik GmbH (Германия), Ono Sokki Co. Ltd, Keyence Corporation (Япония) и др. Типовые характеристики приведены в табл. 9.5 по данным фирмы Karl Schenk AG (Германия).

9.5. Технические характеристики бесконтактных

вихретоковых преобразователей

Характеристика

Диапазон измерения, мм

2 3.2 7
Средняя рабочая точка, мм 1,2—1,5 2,0—2,5 3,5-4
Диаметр катушки датчика, мм 5 7,5 16
Тип присоединительной  резьбы Мб X 0,5 М10Х1 М20Х1
Минимальная длина датчика, мм 40 75 105
Чувствительность преобразователя, мВ/мкм 8 4 2

Примечания:

1. Частота 0—10 кГц.

2. Несущая частота 2 МГц.

3. Температура — 34 ... +170° С.

4. Выходное напряжение 1,5—20 В.

5. Длина кабеля датчика 1 м.

6. Длина кабеля прибора 4,5 м.

Можно отметить также цифровой измеритель перемещений ЦИП-2М, работающий в диапазонах измерения от -20 до +20 мкм и от -100 до +100 мкм (при номинальном зазоре шириной 0,3 мм) с разрешающей способностью 0,1 и 1 мкм, чувствительностью 10 и 100

 

Принцип работы акселерометра - изображение 127 - изображение 127

мкм/В и погрешностью измерений соответственно ±1 мкм и ±5 мкм

72.3. Термоэлектрические преобразователи.

Термоэлектрический преобразова­тель. Из-за нагрева и разнородности материалов в процессе резания металлов возникает термоэлектрический ток в цепи станок — инструмент — изделие — станок (рис. 130, б). Боль­шая величина тока и малая инерцион­ность позволяют исследовать процесс резания и регистрировать характер из­менения сил резания, температуры, точ­но фиксировать время резания и производить другие измерения простыми средствами стрелочным прибором I или осциллографом 2 без усилителя. Измерительную схему подключают к изолированному резцу и какой-либо корпусной детали 3. Для усиления сиг­нала рекомендуется производить под­ключение непосредственно к обрабаты­ваемой детали 4.

Термоэлектрические преобразова­тели особенно широко применяют в области измерения температур. В их конструкции реализуется эффект Зеебека: в спае из двух разнородных металлов возникают (генерируются) термо-ЭДС, величина которой приблизительно пропорциональна разности температур между самим спаем и его выводами, т.е. в термопаре в зависимости от температуры изменяется напряжение.

73. Регистрирующие измерительные приборы

Осциллограф - измерительный прибор для записи и наблюдения функциональной связи двух величин.

Основу осциллографа составляет измерительная система, преобразующая измеряемые физические величины в движение регистрирующих элементов, в качестве которых могут выступать: перо, световой или электронный луч.

Различают:

- перопишущие осциллографы, работающие в диапазоне частот 120-200 Гц;

- светолучевые осциллографы (до 10 кГц);

- электронно-лучевые осциллографы (свыше 10 кГц).

Схема общей установки:

Принцип работы акселерометра - фото 128 - изображение 128

74 Устройство и принцип работы магнитоэлектрического осциллографа

Принципиальная схема светолучевого (магнитоэлектрического) осциллографа:

1-

Принцип работы акселерометра - изображение 129 - изображение 129

зеркальце

2- вибратор (чувствительный элемент)

3- фотопленка (фотобумага)

4- зеркальный барабан

5- экран

6- петлеобразный проводник

Чувствительным элементом светолучевого осциллографа является вибратор 2. Он представляет собой петлеобразный проводник 6 с наклеенным зеркальцем 1, расположенным между полюсами магнита. Возбуждаемый преобразователем ток протекает по проводнику и взаимодействует с магнитным полем. Зеркальце поворачивается, смещая отраженный от него световой луч. Часть светового потока направляется на фотопленку 3 для записи процессов, а часть через зеркальный барабан 4 – на экран 5 для визуального наблюдения.

«+»  - возможность регистрации нескольких параметров по 4-12 каналам 4

   - возможность записи очень медленных и быстропротекающих процессов периодического и непериодического характера.

Схема расположения прибора для получения осциллограммы:

1-

Принцип работы акселерометра - фотография 130 - изображение 130

источник света

2- зеркальце

3- зеркальный многогранник

4- экран

Осциллограмма - это график зависимости, полученный с помощью осциллографа.

Принцип работы акселерометра - фотография 131 - изображение 131

Принцип работы акселерометра - изображение 132 - изображение 132

Принцип работы акселерометра - изображение 133 - изображение 133

       

Принцип работы акселерометра - фото 134 - изображение 134

75 Устройство и принцип работы электроннолучевого осциллографа

Принципиальная схема электронно-лучевого (электронного) осциллографа:

1-

Принцип работы акселерометра - фотография 135 - изображение 135

катод

2- управляющий электрод

3,4- анод

5- горизонтальные пластины

6- вертикальные пластины

7- луч

8- экран

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является главным элементом осциллографа. Излучаемый катодом 1 поток электронов с помощью управляющего электрода 2 и анодов 3,4 собирается в узкий луч 7, который оставляет на экране 8 яркое пятно. Напряжение от измерительного преобразователя Ип через усилитель Ув подается на пластины 5, смещающие луч в вертикальной плоскости. Другая пара пластин 6 получает напряжение от генератора развертки Г через усилитель Уг и создает линейную развертку – пятно на экране равномерно перемещается слева направо.

«+» - высокая чувствительность электронного луча позволяет исследовать как импульсные, так и периодические процессы;

«-» -невозможно регистрировать более одного или двух параметров.

77 Термоэлектические преобразователи

Принцип работы акселерометра - фото 136 - изображение 136

Схемы подключения термопары:

 а - измерительный прибор подключен соединительными проводами к концам термоэлектродов;

б - измерительный прибор подключен в разрыв термоэлектрода;

T1, Т2 - температура «горячего» и «холодного» контактов (спаев) термопары

Применение: измерение температуры жидкостей, расплавов и т.п.

Принцип работы:Термопара состоят из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Если контакты (спаи) проводящих элементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает эдс (термоэдс), величина которой однозначно определяется температурой «горячего» Т1 и «холодного» Т2 контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов. Используются: медь - константан 70 - 800 К, хромель - копель 220 - 900 К, хромель - алюмель 220 - 1400 К, платинородий - платина 250 - 1900 К, вольфрам - рений 300 - 2800 К. Эдс термапары из металлических проводников обычно лежит в пределах 5 - 60 мВ. Точность определения температуры с их помощью составляет, как правило, несколько К.

Варианты исполнений термопар

Принцип работы акселерометра - изображение 137 - изображение 137

       Применение: измерение температуры жидкостей, расплавов и т.п.

76 Температурные деформации станков. Источники, способы измерения деформаций

Исследование тепловых деформаций станков

       Оценка тепловых деформаций станков особенно важна для прецизионных станков, когда изменение температурных полей станка играет доминирующую роль в обеспечении требуемой точности. Проявляясь во времени, тепловые деформации (относящиеся к процессам средней скорости) изменяют геометрические параметры станка, например, они, смещают ось шпинделя, искривляют направляющие, деформируют станину и нарушают взаимное положение узлов станка, несущих заготовку и инструмент. Кроме того, тепловые деформации приводят к изменению жесткости системы. Так, за счет увеличения натяга в подшипниках качения при их нагреве, могут нарушиться условия контакта в направляющих станка, в результате чего изменяются характеристики стыка.

       Источником тепловых деформаций и связанных с ними погрешностей является теплообразование в процессе работы.

       Тепловые деформации могут быть вызваны следующими источниками:

       1. Теплотой, выделяемой в процессе резания, которая распределяется между обрабатываемой деталью, стружкой, инструментом, смазочно-охлаждающей жидкостью и окружающей средой. При этом стружка и СОЖ отводят до 80…90 % теплоты, которая передается отдельным деталям и механизмам станка.

       2. Теплотой от внутренних источников теплоты в станке, к которым относятся: электродвигатели, электроаппараты, лампы освещения, механические передачи, подшипники, направляющие, муфты, тормоза, гидравлические аппараты, гидроаппаратура, т.е. теплота от механических, электрических и гидравлических потерь.

       3. Тепловые воздействия от внешних источников: элементы системы отопления цеха, нагрев солнечными лучами, соседние станки, изменение температуры в помещении, потоки теплого и холодного воздуха.

       Для контроля температурных деформаций узлов станка часто используют те же приборы, что и при оценке геометрической точности и жесткости станков.

       Однако специфика таких испытаний заключается в необходимости измерять процесс, поскольку деформация изменяется во времени. Для измерения деформаций элементов станков используют тензорезисторы в комплекте с тензоусилителем           “ Топаз 3 – 01 ”.

       При определении характеристик температурных полей измерительными преобразователями служат термопары, установленные в зоне источников теплоты и на исследуемых корпусных деталях. Схема термопары представлена на рис.1. Для исследования динамики тепловых полей применяют тепловизоры, регистрирующие инфракрасные излучения объекта. На рис.2 показана схема тепловизора. Обработка на ЭВМ результатов измерения тепловых полей позволяет построить изотермы и другие характеристики, которые являются диагностическим признаком для оценки теплового состояния системы.

Принцип работы акселерометра - изображение 138 - изображение 138

Принцип работы акселерометра - фото 139 - изображение 139

 

Принцип работы акселерометра - фото 140 - изображение 140

                                          Рис.2 .– Схема тепловизора

       Кроме того, на основе анализа теплового поля станка выбирается несколько характерных мест интенсивного тепловыделения для установки в них датчиков. На основании информации от этих датчиков осуществляется программная компенсация тепловых деформаций и погрешностей.

       Так, в токарном многооперационном станке Swedturn – 20 фирмы “ СМТ – Пуллмакс АБ ” ( Швеция ) установлены 5 первичных датчиков в определенных точках. Сигналы датчиков поступают в систему CNC управления станком, где по ним вычисляется температурное смещение шпинделя, а результаты вычисления используются для коррекции положения инструмента.

       Алгоритм определения коррекции разработан на основе экспериментального исследования температурных деформаций станка в реальных условиях.

Методы контроля и регистрации температуры

       Выбор метода измерения температуры определяется следующими основными факторами: областью измеряемых температур, чувствительностью и точностью термопреобразователя, инерционностью датчика, внешними условиями проведения измерений, доступностью средств измерений.

       Наибольшее распространение получили следующие типы термопреобразователей:

термопреобразователи, основанные на тепловом расширении жидкостей, газов и твердых тел; термоэлектрические преобразователи (термопары); металлические термопреобразователи сопротивления; полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (термисторы); термочувствительные кварцевые резонаторы; бесконтактные датчики измерения температуры; термоиндикаторы.

       Жидкостно-стеклянные преобразователи температуры (термометры). Их используют для измерения температуры от -50° до +500…700°С. Точность измерения составляет 1…0,1°С у технических термометров, 0,05…0,01°С у лабораторных.

       Жидкостные термометры используют при тарировке других типов термопреобразователей.

       Термоэлектрические преобразователи (термопары). Термопара (термоэлемент) – теплоэлектрический прибор, основанный на использовании термоэлектрического эффекта Пельтье. Различают термоэлементы металлические, полупроводниковые и комбинированные. Принцип действия основан на возникновении в них термоэлектродвижущей силы при разности температур в местах соединения 2-х разнородных проводников (эффект Зеебека). Особенностью измерения t° с помощью ТП является необходимость стабилизации температуры свободных концов, либо компенсации влияния этой t°.

       Диапазон t° (-200…+1000°С). При температуре от 0 до 100°С можно определить разность t° с точностью до 0,01°С. Материалы для термопар подбирают так, что бы в одном электроде возникала положительная э.д.с., а в другом отрицательная. Термопары изготовляют из благородных и неблагородных металлов. При измерении температуры, во время исследования станков, применяются термопары из неблагородных металлов и сплавов.

Хромель – копелевые (ХК ) – положительный электрод - хромелевый;  

    отрицательный электрод – из сплава копель.

       Хромель – алюмелевые ( ХА) – положительный электрод – из хромеля.

       Находят применение так же медь – константановые, имеющие высокую стабильность и воспроизводимость во времени, а так же железо – копелевые термоэлектрические преобразователи.

       Уменьшение диаметров термоэлектродов ( 0,1…0,2 мм ) значительно понижает инерционность ТП. Для увеличения чувствительности используют несколько ТП, образующих термобатарею.

       Металлические термопреобразователи сопротивления. Принцип действия основан на свойстве металлов изменять сопротивление при изменении температуры.

       Выпускаются стандартные и нестандартные термометры сопротивления с применением платиновой ( ТСП ) или медной ( ТСМ ) проволоки. С помощью термометров сопротивления с платиновой проволокой можно измерять t от –260 до +1100°С, а с помощью ТСМ от –50 до +180°С.

       Для измерения t° с помощью термопар и преобразователей сопротивления        ( ТСМ ) может быть применен АЦП типа Ф 4833, обеспечивающий цифровую индикацию результатов измерения температуры в градусах с разрешающей способностью 0,1°С.

       Полупроводниковые терморезисторы. Эти термометры по сравнению с металлическими термопреобразователями имеют больший температурный коэффициент сопротивления. Это позволяет изготовлять полупроводниковые терморезисторы малых размеров с высоким быстродействием. В основном ППТР применяют для измерения t° от –60 до +125°С.

       К недостаткам полупроводниковых терморезисторов можно отнести нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры, разброс сопротивления ( до 20 %) даже для одного типа полупроводникового терморезистора, малую допустимую мощность рассеивания. Поэтому трудно обеспечить взаимозаменяемость полупроводниковых терморезисторов, в результате чего погрешность измерения температуры при их замене может составить 1…2 % и более.

       Микротерморезисторы МТ-54, МТ-57, МТ-58 разработаны на основе медно-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников. Полупроводниковый терморезистор МТ-54 представляет собой полупроводниковую бусинку диаметром до 0,5 мм, загерметизированную на конце тонкого капиллярного стеклянного корпуса. Электродами служат две тонкие платиновые проволоки, к которым приварены более толстые никелевые выводы.

       В качестве термопреобразователей применяют так же полупроводниковые элементы с p-n переходами ( диоды, транзисторы, стабилитроны ). Достоинство – хорошая линейность в диапазоне от –20 до +100.

       Термопреобразователи в виде термочувствительных кварцевых резонаторов. Пьезоэлектрический резонатор представляет собой акустически изолированный элемент, выполненный из монокристаллического или поликристаллического пьезоматериала с нанесенными на его поверхности токопроводящими электродами. Для возбуждения колебаний к электродам резонатора подводится переменное напряжение.

       Термочувствительные кварцевые резонаторы,

       В качестве бесконтактных датчиков t° применяют различные устройства, работающие с использованием бесконтактных методов измерения t° (оптических, ультразвуковых, радиометрических). Оптико-механические устройства бесконтактного измерения t° - пирометры.

       Тепловизоры – устройства, предназначенные для создания видимых изображений объектов, благодаря различным излучательным свойствам отдельных участков этих объектов и окружающего фона. Принцип действия тепловизоров основан на действии теплового излучения на инфракрасный детектор пироэлектрического типа, т.е. в фотодатчиках в зависимости от температуры изменяется электрический ток. Пироэлектрические эффекты – это явление при которых на поверхности физического тела в следствии изменения поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами находятся LiTaO3, PbTiO3, BaTiO3 и другие пироэлектрические материалы (Како, Яманэ – датчики и микроЭВМ).

Преимущества оптических методов измерения t°:

- возможность измерения на расстоянии;

- высокое быстродействие;

- отсутствие влияния измерительного прибора на измеряемый объект.

       Станки относятся к низкотемпературным объектам, для них можно рекомендовать пирометры ПИРС – 040; РАПИР с телескопами, тепловизор “ Рубин – 3 ” от 0 до 200°С. Погрешность 0,1°С, быстродействие – 40 с.

       Термоиндикаторы бывают 2-х типов:

- индикаторы плавления, которые при достижении определенной t° переходят из твердого состояния в жидкое;

- термокраски, изменяющие свой цвет при нагреве до критических температур.

Используют термоиндикаторы “Темпилак ” (США) и “ТИ” ВНИИ Люминофоров, являющиеся индикаторами плавления, изменяющими цвет при определенной температуре. Недостаток термокрасок – плохая адгезия с исследуемой нагреваемой поверхностью.

Темпилак – диапазон рабочих t° - 38…1371;

- число переходов в этом диапазоне – 105;

- интервал температур между соседними термоиндикаторами до 170°С – 2…4;

- точность измерения - ±1%;          

- граница перехода – четкая.

        Термоиндикаторы наносятся на объект в виде полосок шириной 7…10 мм в порядке увеличения критической температуры изменяя цвета (плавления). С помощью термоиндикаторов можно получить хорошие результаты измерения t° поверхностей корпусов, направляющих и т.д..

Измерение температурных деформаций

       Из-за теплового деформирования корпусных деталей имеет место тренд траекторий шпинделя в пространстве, т.е. наблюдается смещение траекторий.

       В работах [ 70-72] приведены результаты исследования процессов средней скорости – тепловые смещения траекторий шпинделей прецизионных станков. Например, смещение оси переднего конца шпинделя высокоточного токарного станка 16К20ВФ1 на гидростатических опорах в первые 2 часа работы по мере разогрева до тепловой стабилизации достигло 75 мкм, в то время как биение оси шпинделя составило 1…1,5 мкм. Тепловое смещение оси шпинделя на аэростатических опорах для специального прецизионного сверлильного станка, предназначенного для обработки печатных плат, за 1 час работы составило 15 мкм (при биении оси шпинделя 2…2,5 мкм).

       Для сверхпрецизионных станков тепловые деформации оказывают большее влияние на стабильность положения оси шпинделя в пространстве, чем силы резания [Проников]. В станках классов точности В,А и С значительная часть погрешности обусловлена тепловыми деформациями. Так при чистовом точении доля тепловых деформаций составляет 15-20 %, а при растачивании – 30-65%. Уменьшение же тепловых деформаций в прецизионных станках путем снижения режимов резания невозможно, поскольку мощность резания не велика и нагрев определяется потерями мощности на режиме холостого хода станка.

       Температурные деформации чаще всего измеряются индикаторами с ценой деления 0,001 мм или 0,01 мм, а так же тензорезисторами. В последнее время для измерения деформаций используется голографический метод измерения. На рис.3 представлена схема этого метода.

 

Принцип работы акселерометра - изображение 141 - изображение 141

       Рис.3 – Схема голографического метода измерения тепловых деформаций

Способы снижения температуры нагрева

       Для обеспечения заданного теплового режима работы станка следует использовать комплекс способов снижения температуры нагрева и температурных деформаций на стадиях конструирования, изготовления и эксплуатации деталей и узлов станка.

       Важное значение имеет компоновка узлов станка. Например, гильза в шпиндельном узле усиливает влияние теплообразования подшипниках на температурные деформации элементов узла. Деформации шпинделя с гильзой в 1,5…2 раза больше чем у шпиндельного узла без гильзы. При конструировании необходимо учитывать интенсивность и количество источников тепла. Для управления тепловыми источниками рекомендуется на их пути ставить барьеры, к которым могут относиться стыки, термоизоляторы, вентиляторные выемки и др. конструктивные элементы. Большое влияние на общую картину температурных деформаций оказывают системы жидкой смазки. Необходимо правильно выбирать режим смазки и расположение маслопроводов. С этой точки зрения целесообразно располагать на максимальном расстоянии от ответственных элементов узла. Положительные результаты могут дать так же симметричное их расположение относительно этих элементов и всего узла в целом.

       В последнее время в высокоточных станках и станках с ЧПУ широко используются шпиндельные узлы, в которых используются гильзы с подводом СОЖ, и тем самым обеспечивается стабилизация температурного поля шпинделя.

       Используются так же схемы с регулированием температуры путем охлаждения с использованием датчиков активного контроля (в качестве охлаждения используется масляной туман).

       Разрабатываются и применяются системы автоматической подналадки положения рабочих органов станка (адаптивные системы).

77

78 Бесконтактные методы измерения температуры

           Поверхность всякого нагретого тела испускает электромагнитное излучение. Приборы, которые могут по тепловому излучению определять температуру излучателя, называются пирометрами. При помощи оптики излучение нагретого тела фокусируется и направляется на приемник. Различают следующие виды приемников теплового излучения: термопары, термометры сопротивления, фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Чувствительность термопар и термометров сопротивления практически не зависит от длины волны, включая ультрафиолетовую и инфракрасную области излучения. Поэтому они пригодны для измерения сравнительно низких температур ( до 1500оС). Остальные приемники излучения являются чувствительными только в узком спектральном интервале, их характеристики сильно зависят от длины волны. Но абсолютная чувствительность у них существенно больше, чем у термопар или термометров сопротивления.

       Пирометрические оптические устройства создают изображение излучающей поверхности ( или ее участка ) на приемнике и тем самим делают измерение потока излучения в широком диапазоне независимым от расстояния до изучаемого объекта. Линзы ограничивают и неравномерно пропускают измеряемое излучение, коэффициент пропускания зависит от длины волны. Использование линз становится неприемлемым при измерении сравнительно низких температур, когда излучаются волны большой длины (инфракрасный диапазон). В этих случаях следует использовать вогнутые зеркала.

 

Принцип работы акселерометра - изображение 142 - изображение 142

       Радиационные пирометры (пирометры полного излучения)- приборы, которые воспринимают излучение во всем спектральном диапазоне и преобразовывают его в соответствующий сигнал. Излучение (рис.8) через защитную пленку 6, пропускающую инфракрасные лучи, попадает на сферическое зеркало 4, которое фокусирует его на теплоприемнике 5, представляющем собой звездообразную термобатарею из ряда последовательно соединенных V-образных хромель-копелевых или нихром-константановых термопар 2. Свободные концы термопар приварены к металлическим полоскам 1, которые приклеены к кольцу 3 из слюды. Это кольцо закладывается между двумя такими же. Плоские рабочие концы термопар образуют венчик, зачерненный с одной стороны. На этот венчик фокусируется излучение.

Рис.8. Схема радиационного пирометра

       С повышением измеряемой температуры растет погрешность измерения за счет влияния температуры кожуха. Для компенсации температурной погрешности термобатарея подключается к измерительному прибору 7 через ряд резисторов. Резисторы R2 и R1 выполняются из меди или никеля и располагаются возле концов термобатареи, остальные плечи моста выполнены в виде резисторов из манганина. Мост компенсирует постоянную составляющую погрешности, а резистор R1, включенный параллельно термобатарее, компенсирует переменную составляющую, связанную с изменением температуры.

       Для приборов с пределами измерений 400…1200оС вместо сферического зеркала применяют линзы из кварцевого стекла, характеризующегося малым поглощением инфракрасных лучей.

       Применение радиационных пирометров возможно лишь в тех случаях, когда полная мощность излучения объекта измерения мало отличается от полной мощности излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Большинство закрытых печей и топок с небольшими отверстиями и окнами удовлетворяют этому условию.

       В промышленности применяются также цветовые пирометры. В них определяется отношение интенсивностей излучения данного тела в лучах двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным и вполне однозначным. Следовательно, оно может служить критерием абсолютной температуры тела. Цветовые пирометры применяются, как правило, с фотоэлементом, т.е. являются фотоэлектрическими пирометрами. Преимущества из перед радиационными : уменьшение погрешности, связанной с неполнотой излучения; независимость показаний от расстояния до излучающей поверхности и размеров последней.

 

Принцип работы акселерометра - изображение 143 - изображение 143

       Принцип действия  фотоэлектрического цветового пирометра  иллюстрируется на рис.9. Излучение от объекта исследования 1 линзой 2 фокусируется на обтюраторе 3, который вращается синхронным электродвигателем 4, и затем воспринимается фотоэлементом 5. На диске обтюратора имеется ряд отверстий, половина которых красным светофильтром, а половина – синим. Таким образом, на фотоэлемен поочередно попадают то красные, то синие лучи. Кроме того, благодаря отверстиям фототок оказывается промодулированным с несущей частотой, определяемой числом отверстий в обтюраторе и частотой вращения последнего Модулированный ток в нагрузке фотоэлемента через усилитель 6, который снабжен устройством 7 для автоматической регулировки чувствительности, поступает в фазочувствительный выпрямитель 8. После этого с помощью коммутатора 9 сигнал разделяется соответственно отношению интенсивностей красных и синих лучей и воспринимается измерителем отношения 10. Необходимость в регулировке чувствительности усилителя, т.е.. в стабилизации выходного напряжения, обусловлена тем обстоятельством, что при повышении измеряемой температуры яркость излучения, как в синей, так и в красной области спектра возрастает значительно сильнее, чем отношение этих яркостей. При надлежащем режиме работы фотоэлемента фотоэлектрические цветовые пирометры могут обеспечить измерение температуры с погрешностью, не превышающей 1%.

Рис.9. Схема фотоэлектрического светового пирометра

 

Принцип работы акселерометра - фото 144 - изображение 144

       Для исследования динамики тепловых полей применяют тепловизоры, регистрирующие инфракрасные излучения объекта. Тепловизоры – устройства, предназначенные для создания видимых изображений объектов, благодаря различным излучательным свойствам отдельных участков этих объектов и окружающего фона. На рис.10 показана схема тепловизора.

Рис.10. Схема тепловизора

       Обработка на ЭВМ результатов измерения тепловых полей позволяет построить изотермы и другие характеристики, которые являются диагностическим признаком для оценки теплового состояния системы.

79

80

81

82 Исследование виброустойчивости станка по предельной стружке

Методы и средства измерения ускорений

Принцип работы акселерометра - фотография 145 - изображение 145

Ускорения измеряются в метpax на секунду в квадрате (м/с2). В качестве единицы измерения ускорения часто применяют величину, связанную с ускорением земного притяжения - g. Например, ускорение, равное 0,1g; l0g и т.д. Ускорения могут быть линейными и угловыми. Средства измерения ускорений называются акселерометрами.

Инерциальный метод

Для измерения линейных ускорений применяются инерциальный метод, метод дифференцирования скорости и метод двухкратного дифференцирования расстояния до неподвижной базы.

Принцип работы акселерометра - фотография 146 - изображение 146

Рис. 8.33. Средства измерения ускорений: а - схема акселерометра (1 - инерционная масса; 2 - пружина; 3 - электромагнит; 4 - корпус прибора; 5- демпфер; 6 - преобразователь; 7- ось; У- усилитель); б - схема маятникового акселерометра (1 - подвеска; 2 - жидкость; 3 - корпус; 4 - чувствительный элемент; 5 - преобразователь; У- усилитель); в - схема струнного акселерометра (7 и 5- струнный преобразователь; 2 и 4- струна; 3 - упругий подвес; 6- генератор; 7 - механизм натяжения струн; 8- регулирующее устройство); г - схема акселерометра с волоконно-оптическим преобразователем (1 - источник света; 2 - акселерометр; 3 и 8 - линза; 4 - поляризатор; 5 - фотоупрутий материал; 6 - четвертьволновая пластина; 7 - анализатор; 9 - волоконный светопровод; 10 - приемник излучения - фотодиод)

Инерциальный метод основан на измерении силы, развиваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Принцип действия средств измерений, реализующий инерциальный метод, состоит в следующем (рис. 8.33, а). Инерционная масса 7, связанная с корпусом прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 5, может перемещаться в направлении оси 7, называемой осью чувствительности. Перемещение инерционной массы, пропорциональное измеряемому ускорению, преобразуется посредством резистивных, индуктивных или емкостных преобразователей 6 в электрический сигнал, который после усиления в усилителе поступает на электромагнит 3. Последний создает усилие F, уравновешивающее инерционную силу тах, т.е.

F = mах,

где ах - ускорение.

Методы дифференцирования

Методы одно- или двухкратного дифференцирования сводятся соответственно к дифференцированию измеренных скорости или расстояния до неподвижной базы.

Требования к точности измерения ускорений определяются областью применения. Так, в инерциальных системах погрешности не должны превышать ±0,001 %. При применении акселерометров в системах управления погрешности могут составлять ±(1 ...2) %. Погрешности средств измерения ускорений в машинах могут достигать ±4 %.

Акселерометры

Рассмотрим некоторые возможные схемы акселерометров (рис. 8.33, б, в, г).

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс, преобразователи сигналов, моментные (силовые) устройства, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для уменьшения потерь в осях подвеса, обеспечения линейной зависимости между отклонениями массы и измеряемым ускорением подвес помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента, либо устанавливают его на воздушной подушке, на струнах. Применяют также электромагнитные и криогенные подвесы.

В качестве преобразователей сигналов применяются емкостные, индуктивные, фотоэлектрические, струнные и др. Основные требования к ним: большая разрешающая способность, линейная зависимость выхода от входа, отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент.

Моментными (силовыми) устройствами для ввода сигналов обратной связи являются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагниты.

Маятниковый аеселерометр

В маятниковых акселерометрах (см. рис. 8.33, б) чувствительный элемент 4 находится в жидкости 2, заключенной в корпусе 3. Температура жидкости поддерживается с точностью до 0,01 "С, что позволяет устранить ее конвективные движения. Сигнал с чувствительного элемента снимается преобразователем 5 и подается на усилитель У. С выхода усилителя сигнал поступает на моментный двигатель, развивающий момент, зависящий от ускорения.

Струнный акселерометр

В акселерометрах со струнными преобразователями 1 и 5 (см. рис. 8.33, в) смещение массы т меняет упругие свойства струн 2 и 4. натянутых в направлении оси чувствительности. Упругий подвес 3 исключает движение массы т в поперечном направлении. Сумма частот колебаний струн 2 и 4 (f1 +f2) поддерживается постоянной посредством регулирующего устройства 8, для чего она сравнивается с эталонной частотой f0, вырабатываемой генератором 6. Разность Δf = (f1 +f2)-fo используется для управления механизмом 7 натяжения струн. При поддержании значения (f1 +f2) постоянным получается линейная зависимость между измеряемым ускорением ах и разностью частот Δf.

Струнные акселерометры находят применение в инерциальных системах управления. При диапазоне измерения ускорений до 20 g погрешность не превышает ±0,004 %.

Акселерометр с преобразователем

Акселерометр с волоконно-оптическим измерительным преобразователем основан на эффекте фотоупругости. Некоторые материалы (эпоксидная смола, нитрат лития и др.) меняют свои оптические свойства при их деформировании. На этой основе создан целый ряд средств измерения, в которых сила преобразуется в деформацию. На рис. 8.33, г источник света 1 (например, полупроводниковый лазер), проходя через линзу 3 и поляризатор 4, поступает на стержень из фотоупругого материала 5, изменяющий свое напряженное состояние в зависимости от ускорения груза акселерометра 2. Преобразуя полученный сигнал с помощью четвертьволновой пластины 6, анализатора 7 и линзы 8, он поступает по волоконному светопроводу 9 на приемник излучения (фотодиод) 10. В результате определяется величина ускорения с достаточно высокой точностью. Так, при массе груза 25 г чувствительность рассмотренного акселерометра составляет 0,01g.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 195)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты