Акселерометр телефона что это
Акселерометр: что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне
Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.
Акселерометр: что это и зачем нужен?
Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».
Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром. По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые). Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление ускорения как векторную величину во всех трех осях.
Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.
В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.
Где применяется акселерометр?
Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:
Как работает акселерометр?
Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.
Механический акселерометр
Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика. Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.
Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.
Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.
У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания. Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов. Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.
Внутренняя работа акселерометра 
Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.
Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:
Чем отличается акселерометр от гироскопа?
Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.
Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп. Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.
Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.
Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах
В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.
Акселерометр в телефоне
Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.
Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.
Как откалибровать акселерометр?
В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги. Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox. Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.
Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.
Сергей Васильев
Интересуюсь всем, что касается умных часов, фитнес-браслетов и другой носимой электроники. С удовольствием поделюсь последними событиями в мире гаджетов, постараюсь помочь подобрать оптимальную модель и разобраться с основными настройками.
Акселерометр в телефоне – что это такое
Современные смартфоны – это достижение инженерной мысли, напичканное миниатюрными датчиками, микросхемами, сенсорами, один из которых отвечает за пространственно-скоростные изменения объекта или его ускорение. Акселерометр: что это такое в телефоне, как работает и зачем нужен, разбираемся в деталях.
Что такое акселерометр и как он устроен
Акселерометр – это электромеханическое устройство, используемое для измерения сил ускорения. Такие силы могут быть статическими, например непрерывная сила тяжести, или, как в случае со многими мобильными устройствами, динамическими – для определения движения или вибрации.
Из всех компонентов смартфона акселерометр, вероятно, является самым технологически захватывающим, но также недооцененным гаджетом на устройстве. Если вы хотите, чтобы изображение на смартфоне отображалось в альбомной или портретной ориентации, все, что нужно сделать, – это повернуть устройство. Вы когда-нибудь задумывались, как гаджет распознает, что его наклонили именно в этом направлении? Как раз акселерометр в телефоне и отвечает за то, чтобы правильно реагировать на поворот корпуса.
Акселерометры состоят из трех основных компонентов:
В смартфонах акселерометры крепятся на плату и представляют собой миниатюрный черный квадрат с инертной массой, величина смещения которой фиксируется датчиками.
Типы акселерометров
В смартфонах, как правило, используют два типа акселерометров: пьезоэлектрические или емкостные. Оба эти слова звучат очень сложно, но на практике они довольно просты.
Принцип работы емкостных акселерометров разберем на примере. Вам знакомы игрушки-лабиринты с шариками? Представьте себе один из них в виде пустого квадрата без перегородок. Когда вы его наклоняете, мяч перекатывается и ударяется об одну из сторон, в результате чего срабатывает датчик. Конечно, в смартфонах нет маленьких головоломок-лабиринтов, но есть нечто похожее. Вместо мяча в них используется сетка или грузик, закрепленный на опорах. При движении смартфона сетка немного сдвигается и тянет за собой опору. При этом между частями сетки установлены маленькие «пальчики», которые чувствуют, где находится сетка, и фиксируют любое ее движение.
В зависимости от того, по каким осям перемещается подвижная часть акселерометра, различают одноосевые (вверх/вниз), двухосевые (вверх/вниз, вправо/влево) и трехосевые (вверх/вниз, вправо/влево, внутрь/наружу).
Пьезоэлектрический акселерометр – это прибор, фиксирующий пространственную ориентацию устройства, основываясь на пьезоэлектрическом эффекте.
Представьте, если бы вы стояли спиной к стене, держа матрас на расстоянии вытянутой руки с закрытыми глазами. Матраса не видно, но чувствуется, если он движется. Если толкать или тянуть матрас, это вызовет напряжение в руках. Вы почувствуете, либо как матрас отрывается, либо как приближается к вам.
Пьезоэлектрические акселерометры работают аналогично. Они используют механизм, который толкает и притягивает проводник, который, в свою очередь, излучает электричество в зависимости от приложенного напряжения. Именно степенью возникающего напряжения и измеряется движение устройства в системе координат.
Применение акселерометров в смартфонах
В эпоху диджитализации акселерометр в смартфоне – это must-have, без которого функциональность устройства будет неполноценной. Между прочим, компания Apple интегрировала его во все свои устройства iPhone, iPad и iPod еще с 4-го поколения.
Рассмотрим основные моменты, для чего же используется акселерометр в мобильных устройствах.
Задумывались ли вы, что такое простое устройство, как акселерометр, – неотъемлемая часть навигационных приборов в авиации и космонавтике? Спидометры, видеорегистраторы, смарт-часы, промышленное оборудование, информационные технологии – все эти гаджеты и оборудование также работают с устройствами, в компоновке которых присутствуют акселерометры.
При необходимости датчик акселерометра можно отключить с помощью меню настроек. Это может понадобиться в том случае, когда функция поворота экрана не нужна или мешает выполнению определенных задач.
Интересно, что непосредственно за угол наклона устройства отвечает другой датчик – гироскоп. Он фиксирует данные о положении смартфона относительно земной поверхности. Как правило, гироскоп идет в паре с акселерометром и дополняет данные до шестиосевой системы координат.
Как откалибровать акселерометр
Что такое акселерометр в телефоне, мы разобрались, теперь остановимся на том, как откалибровать устройство для получения точных данных.
Если программным обеспечением смартфона не предусмотрена функция калибровки, то для этого понадобится скачать и установить любое подходящее приложения, доступное в маркете.
Как правило, процесс калибровки занимает несколько минут. Необходимо положить смартфон на ровную горизонтальную поверхность, запустить процесс, следовать инструкциям на экране и получить уведомление о завершении калибровки.
Как понять, что акселерометр нуждается в калибровке?
Очевидно, что такое устройство, как акселерометр в мобильном гаджете, – это не просто удобная функция, а полноценная система взаимосвязи между человеком и прибором: от шагомера до навигации, управления жестами и системы безопасности. Крохотный чип (меньше 10-копеечной монеты) мгновенно реагирует на изменения положения устройства в пространстве, улавливает толчки, встряхивания, повороты. И на каждое такое действие происходит ответная реакция, обусловленная программным обеспечением смартфона.
Преимущества наличия акселерометра в телефоне
Время, когда телефоны служили лишь способом коммуникации давно в прошлом, теперь современные смартфоны оснащены множеством разнообразных функций, которые упрощают повседневную жизнь. Для повышения работоспособности гаджетов применяются дополнительные устройства, одним из которых является акселерометр.
Что такое акселерометр в телефоне и для чего он нужен
Акселерометр представляет собой устройство, предназначенное для измерения кажущегося ускорения. Иными словами, прибор устанавливает разницу между гравитационным и действительным ускорением того или много объекта. Акселерометр состоит из трех элементов: пружины, массы, которая двигается, и демпфера. Во время ускорения предмета происходит деформация первого элемента, и на основе этих изменений можно сделать вывод о положении предмета в трехмерном пространстве.
Таким датчиком на сегодняшний день оборудуют смартфоны, благодаря чему у устройства появляются дополнительные функции, например, измерение количества пройденных шагов, автоматический поворот экрана во время просмотра фильма или чтения книги. Если бы гаджет не был оснащен датчиком ускорения, то пришлось бы все время нажимать пальцем на кнопку и настраивать поворот вручную. Многие пользователи любят гоночные симуляторы, где нужно поворачивать экран из стороны в сторону для управления. Именно акселерометр отвечает за данную возможность.
Принцип работы
Основным принципом для оснащения современных телефонов данным прибором является компактность, так как у многих смартфонов толщина корпуса не превышает восьми миллиметров, а там должно разместиться огромное количество разной электроники. Именно поэтому разработчики создали миниатюрную конструкцию акселерометра, который поместили в специальный чип.
Принцип его работы заключается в том, что к неподвижному корпусу крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками, которые помещаются между контактами, считывающими показания изменений ускорения.
Создавать такие миниатюрные версии прибора вручную практически невозможно, поэтому их делают на автоматизированных конвейерных линиях, а за основу берут реакции силикона и других веществ.
Как настроить?
Все современные гаджеты оборудованы акселерометром, если его нет, это говорит либо об очень бюджетной модели смартфона, либо о том, что он был выпущен много лет назад. Для того, чтобы добавить датчик контроля ускорения, не поможет новая прошивка или изменения в настройках, если он не был внедрен в процессе сборки, то с этим уже ничего сделать нельзя.
Если же он был встроен изначально, то его функции необходимо просто отрегулировать в настройках. Для этого следует зайти в Google Play и скачать любое приложение для калибровки. После этого запустить программу, установить смартфон на ровную поверхность и зайти в настройки утилиты, выбрать графу «калибровка акселерометра». После таких действий на экране должно появиться оповещение, которое нужно подтвердить, после чего начнется запуск настройки.
Преимущества и возможности
Плюсы такого устройства заключается в том, что пользователь смартфона в любой момент сможет узнать о положении гаджета в пространстве. При том, что в играх и во время просмотров фильмов можно регулировать не только поворот экрана, но и скорость этого поворота, а это позволяет создать максимально точное управление телефоном.
Наличие датчика определения положения смартфона позволяет упростить процесс пользования им, а точнее – сделать максимально комфортными такие действия как чтение книг, просмотр видео и пользование приложениями. Иногда, прежде чем акселерометр начнет работать, его нужно настроить, однако этот процесс занимает несколько минут.
Что такое акселерометр в смартфоне и фитнес-браслете? Объясняем на пальцах, как он работает
Казалось бы, акселерометрам в смартфонах уже «сто лет» и все, кому интересно было узнать, что это такое и как оно работает, давно прочли какую-то статью или посмотрели ролик в YouTube.
Мне действительно так казалось, пока я не почитал самые популярные выдачи Google по этому запросу. К удивлению, это были либо совершенно бестолковые и поверхностные статьи, перепечатанные копирайтерами, пишущими параллельно о моде и политике, либо статьи в стиле «как максимально сложно рассказать о простом».
Такая ситуация, конечно же, не может не радовать, ведь у нас появился отличный повод для новой интересной статьи!
Итак, что такое акселерометр — знают, наверное, все. Этот датчик используется в телефонах для определения положения устройства и автоматического поворота экрана. Также некоторые смартфоны используют акселерометр для определения падения, чтобы автоматически спрятать выдвигающуюся моторизированную селфи-камеру. Среди наших обзоров было много таких аппаратов.
Кроме того, акселерометр является сердцем всех смарт-часов и фитнес-трекеров, ведь именно он отслеживает любое движение пользователя. Да и на смартфонах есть шагомеры, также использующие акселерометр.
Остается лишь один и самый главный вопрос:
Как работает акселерометр?
Давайте на секундочку отбросим все эти технологии и подумаем, как вообще можно сделать устройство, которое бы показывало, скажем, угол своего наклона. Самое простое, что приходит на ум — это стеклянная колбочка с пузырьком воздуха внутри:
Если представить, что слева находится верхняя часть колбы (обозначим ее красным цветом), а справа — нижняя (синий цвет), тогда можно очень легко определять положение колбы в пространстве:
Когда пузырек окажется возле «красной» стороны — колба стоит вверх головой, а когда возле «синей» — она перевернута вверх ногами.
С этим, думаю, всё предельно ясно. Чтобы аналогия ближе отображала суть реального акселерометра, давайте заменим колбу с жидкостью и пузырьком на грузик, который закреплен на гибкой подвеске:
На картинке наше устройство лежит горизонтально на боку, поэтому грузик не провисает. Но если развернуть его в вертикальное положение, гибкие стержни сразу же прогнутся под весом грузика:
Из-за этого мы всегда будем знать, в каком положении находится наше устройство. Ведь грузик будет опускаться вниз под действием силы тяжести, которая прижимает все объекты, включая нас с вами, к центру земли. Да, мы не проваливаемся сквозь пол или асфальт, так как есть гораздо более мощная сила, отталкивающая нас от других объектов, но об этом чуть позже.
Обратите внимание на то, что наше примитивное устройство уже может не только показывать, держим ли мы его нормально или вверх ногами, но также и измерять ускорение!
Представьте, что будет, если мы резко поднимем это устройство вверх, когда грузик уже провисает на стержнях под своей тяжестью? Верно, он на короткое время прогнет гибкие стержни еще сильнее, а затем вернется к своему изначальному положению:
Точно также поведут себя стержни, если мы положим устройство на бок и затем резко переместим его влево. В этом случае, из-за ускорения, грузик на мгновение прогнет стержни в обратную сторону.
Это интуитивно понятно, так как каждый из нас на себе ощущал подобный эффект при разгоне автомобиля, когда во время быстрого ускорения нас прижимает к сидению, то есть, мы движемся в противоположную сторону ускорению автомобиля.
Получается, мы уже можем не только говорить о самом факте ускорения, но даже и вычислить его силу. Ведь чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение. Это как с автомобилем — чем быстрее разгон, тем сильнее нас прижимает к сидению.
Вот мы и разобрали базовый принцип работы акселерометра! Какой-то грузик под действием силы тяжести провисает на тонком гибком стержне. Если мы развернем телефон на 180 градусов, тогда стержни прогнутся в противоположную сторону.
Но, заметьте, что такое устройство сможет определять только верх и низ, а также ускорение вверх или вниз. Стержни не будут прогибаться влево или вправо, а также наше устройство не будет реагировать на ускорение вперед/назад (вглубь экрана):
К сожалению, одним акселерометром нам не обойтись, так как он будет измерять положение и ускорение устройства только по одной оси (в нашем примере — оси Y или вверх/вниз. И такие акселерометры действительно существуют — это одноосевые акселерометры.
Если мы хотим измерять положение и/или ускорение по всем осям (X, Y и Z или влево/вправо, вверх/вниз и от нас/к нам), тогда нам нужны 3 акселерометра или 3 отдельных грузика, которые будут размещаться внутри смартфона или фитнес-трекера соответствующим образом:
Такой акселерометр будет называться уже 3-осевым. В более дорогих фитнес-браслетах и смарт-часах есть 6-осевые датчики. Это значит, что помимо 3-осевого акселерометра, у них также есть 3-осевой гироскоп. Но об этом сенсоре мы поговорим как-нибудь в другой раз.
А как выглядит реальный акселерометр?
Я много времени уделил довольно простой (даже банальной) аналогии с грузиками, но что на самом деле размещается внутри смартфона или браслета? Вы же не думаете, что там внутри есть крохотная коробочка, в которой жестко закреплены гибкие стержни с подвешенными грузиками?
А зря! Ведь именно так и есть, только сами стержни и грузики выглядят немножко по-другому.
Существует целый класс устройств под названием MEMS (микроэлектромеханические системы). Сюда входят не только акселерометры, но и гироскопы, микрофоны, барометры и другие датчики. Отдельные «запчасти» этих крошечных механизмов могут быть в 100 раз тоньше человеческого волоса!
То есть, суть MEMS и заключается в том, чтобы использовать классические механизмы, но очень маленького размера.
Вот как схематически можно представить MEMS-акселерометр смартфона или смарт-часов, который отслеживает движение только влево-вправо:
Зеленым цветом здесь показан грузик, а темно-серым — гибкие стержни, которые прогибаются при ускорении смартфона или наклонах влево-вправо. Не обращайте пока внимание на синие палочки и на странную форму грузика.
Стержни и грузик могут выглядеть по-разному. Вот снимок под микроскопом реального MEMS-акселерометра, который также отслеживает движение/ускорение по одной оси X (влево-вправо):
Здесь мы видим немного другую форму грузика, а вместо стержней используется гибкая подвеска. Обведу их разными цветами, чтобы было понятней, где что находится:
Существуют и другие формы, но принцип один и тот же.
На этом моменте может показаться, что принцип работы акселерометра понятен. В смартфоне или фитнес-трекере на самом деле установлен микроскопический механизм, состоящий из грузика и гибкого подвеса. Но как использовать этот механизм?
Представьте, что вы роняете телефон и он падает на землю. Естественно, минимум один из акселерометров срабатывает, так как его грузик из-за ускорения смартфона отклоняется в обратную сторону. Но что дальше? Как смартфон знает, куда, как сильно и какой конкретно грузик отклонился?
Мы видим это глазами, но у смартфона внутри корпуса нет глаз. Или как фитнес-браслет при взмахе рукой «знает», что какой-то из микроскопических грузиков куда-то отклонился?
Для ответа на эти вопросы нам нужно разобраться еще с одним интересным физическим явлением. Давайте сконструируем что-то вроде примитивного аккумулятора, который можно очень быстро заряжать и разряжать. Сделать его можно буквально за пару минут из подручных средств.
Необходимо взять две металлические пластинки, прикрепить к ним провода и… всё! Если мы разместим эти пластины достаточно близко друг к другу, но только так, чтобы они не соприкасались, тогда у нас получится такая интересная «батарейка»:
Интересна она по той причине, что заряжать ее можно мгновенно (за доли секунд), но и отдает свой заряд она также мгновенно. Использовать такую «батарейку» в качестве аккумулятора невозможно, ведь она не способна отдавать заряд постепенно в течение долгого времени.
Как же это работает?
Когда мы подключаем к двум пластинкам настоящую батарейку, к одной из этих пластинок устремляются триллионы электронов — крошечных «сгустков» энергии.
В то же время батарейка начинает «вытягивать» электроны из другой пластинки. Это происходит по той причине, что разные концы батарейки имеют разный заряд — отрицательный («минус») и положительный («плюс»).
Положительный заряд батареи будет притягивать к себе электроны с синей пластинки (они имеют отрицательный заряд), а отрицательный заряд, на котором у батарейки уже очень много электронов, будет стремиться избавиться от них и выталкивать электроны на красную пластинку:
В общем, весь этот процесс закончится тогда, когда уже будет не хватать «давления» (напряжения) в батарейке, с которым она выталкивает одни электроны и притягивает другие.
Когда мы отключим батарейку от пластинок, то одна из них теперь будет хотеть избавиться от лишних электронов, а другая наоборот — их притянуть. Но сделать это напрямую не получится, ведь между пластинками есть «изоляция» — воздух:
Если бы мы подключили к этим пластинкам, например, лампочку, тогда она бы на мгновение ярко засветилась. Половина электронов от красной пластинки устремятся к синей, чтобы их везде оказалось поровну и пластинки «не испытывали» никакого давления. А движение электронов по проводам — это и есть ток, который «зажжет» лампочку.
Какое отношение всё это имеет к механическому акселерометру?
Чтобы соединить все точки рассказа, нужно знать еще одну маленькую деталь.
Дело в том, что мы легко можем узнать ёмкость нашей самодельной «батарейки» (я называю ее батарейкой для простоты восприятия, на самом деле такое незамысловатое устройство называется конденсатором). Под словом «ёмкость» я имею в виду количество заряда, которое пластинка может накопить, а затем отдать.
Как вы думаете, от чего зависит эта ёмкость? Конечно, сразу интуитивно напрашивается ответ — от размера пластинок. Ведь чем она крупнее, тем больше туда физически может поместиться электронов:
Мы видим, что справа больше электронов, а значит, эти две пластинки могут накопить больший заряд, соответственно, ёмкость правого конденсатора («батарейки») — выше.
Но есть еще один способ изменить ёмкость пластинок, не меняя их размер. Он следует из закона Кулона, суть которого заключается в том, что сила, с которой одни заряженные частички притягиваются к другим, зависит от расстояния между ними.
Дело в том, что между этими двумя пластинками появляется электрическое поле — невидимая сила, притягивающая разноименно заряженные частички (+ и —) и отталкивающая одноименно заряженные частички (— и — или + и +). Для этой силы ни воздух, ни другая изоляция не является помехой или преградой.
Именно поэтому невозможно сделать конденсатор из одной пластинки. Мы просто не «затолкаем» туда электроны, так как они будут моментально отталкиваться обратно. Но когда появились две пластинки с разными зарядами, появилась и сила, удерживающая этот переизбыток зарядов.
Согласно закону Кулона, чем ближе будут пластинки, тем выше будет сила взаимодействия между заряженными частичками, которая удерживает их, и мы сможем затолкать еще больше электронов при том же размере пластинок:
Это должно быть понятно даже интуитивно, так как все мы пробовали соединять два магнитика. Чем ближе они друг ко другу (при условии, что мы соединяем их разные полюса или «плюс» и «минус»), тем сильнее они притягиваются друг ко другу.
И вот теперь наших знаний достаточно, чтобы ответить на вопрос, как же на самом деле работает акселерометр в смартфонах и фитнес-браслетах.
Давайте посмотрим на 3D-модель вот такого микромеханического акселерометра:
Здесь мы видим «грузик» синего цвета на гибких подвесках (также синего цвета) по краям. Это акселерометр, который работает только по оси X, то есть, грузик смещается влево-вправо (на картинке он уже смещен вправо).
А теперь обратите внимание на темно-серые палочки. Я нарисую схематически вот этот кусочек, чтобы остальная часть акселерометра нам не мешала:
Так вот, синяя верхняя вертикальная палочка на грузике — это и есть одна из пластинок «батарейки» (конденсатора), которую мы только что подробно рассмотрели. Соответственно, серая палочка вверху — вторая пластинка (см. картинку ниже).
На эти пластинки подается заряд и, когда грузик движется вправо, верхние пластинки прижимаются друг к другу, но не соприкасаются. А внизу происходит обратная ситуация — две пластинки отдаляются друг от друга:
Так как две верхние пластинки приблизились вплотную друг к другу, то и заряд на них максимальный, то есть, мы говорим, что ёмкость верхнего конденсатора максимальна. А на двух нижних пластинках, напротив, заряд минимален, так как расстояние между ними увеличилось, соответственно, сила взаимодействия также снизилась.
Акселерометр непрерывно измеряет емкость такой пары конденсаторов — двух верхних и двух нижних пластинок. И по ним очень легко определяет, насколько грузик отклонился от состояния покоя:
Кроме того, мы можем легко определять ускорение устройства по степени (амплитуде) отклонения грузика.
Еще раз посмотрим это на увеличенной 3D-модели:
Акселерометр мобильных устройств работает с ничтожно малыми емкостями и зарядами, так как эти пластинки микроскопического размера. Поэтому в акселерометре не одна пластинка, а множество. И все верхние пластинки соединены между собой в одну, как и все нижние — между собой.
Грузик также является одной общей пластинкой, которая подключается к питанию с одной стороны стержня (на картинке этот контакт я подписал словом «грузик», хотя сам грузик синего цвета находится, естественно, посередине):
То есть, по сути, акселерометр состоит из двух конденсаторов («батареек»): одной большой верхней пластины с ребрами и грузика, а также одной большой нижней пластины с ребрами и того же грузика. Смартфон непрерывно измеряет ёмкости этих двух конденсаторов и сразу же понимает, что произошло какое-то движение, как только емкости меняются.
Вот и весь принцип работы этого крохотного инженерного чуда! Теперь дело остается за малым. Нужно просто связать определенное изменение ускорение акселерометра по всем осям с определенным действием.
К примеру, вот так выглядит изменение ускорения по всем 3 осям акселерометра моего фитнес-браслета, когда я просто иду:
Мы видим, что ускорение заметно изменяется только по одной оси X (показано синим цветом). А вот какие показания акселерометра будет регистрировать фитнес-браслет, когда я побегу:
Здесь мы видим, что из-за увеличения скорости движения рук увеличилась и сила ускорения. Кроме того, заметно изменяется ускорение не только по оси X, но и по оси Y (показано желтым цветом). Ведь при ходьбе мои руки были опущены вниз, а во время бега — полусогнуты.
Таким образом, браслету не составляет никакой трудности, например, автоматически определить ходьбу или бег. Ведь «рисунок» изменения ускорения по всем осям очень характерен для каждого вида активности.
При желании трекеры могли бы очень легко определять даже такие занятия, как чистка зубов или игра в теннис (при ударе ракеткой происходит характерное движение кистью, которое очень легко отследить по акселерометру).
Алексей, глав. ред. Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?