Акселерометр в планшете что это

Датчики в смартфонах и планшетах

Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики в телефонах, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения. Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.
Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Акселерометр (accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения)

Гироскоп (gyroscope)

Геомагнитный датчик (geomagnetic field sensor, магнитометр)

Датчик приближения (proximity sensor)

Датчик освещенности (light sensor, датчик света)

Датчик Холла (Hall sensor)

Барометр (pressure sensor)

Термометр (ambient temperature sensor)

Датчик влажности (гигрометр)

Шагомер (педометр, step detector)

Сканер отпечатков пальцев (fingerprint sensor, Touch ID)

Сканер сетчатки глаза (retina scanner)

Датчик сердцебиения (измеритель пульса, пульсометр)

Датчик насыщения крови кислородом SpO2

Дозиметр

Вспомогательные датчики

Датчиками называются различные устройства, считывающие дополнительную информацию. Данные решения делают работу с телефоном, планшетом или другим гаджетом удобнее и добавляют устройству функциональности.

Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения. Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.

Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Основные датчики в смартфонах и планшетах

Акселерометр

(accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения) – самый простой датчик, который встречается в любом смартфоне или планшете. Служит, в основном, для регистрации поворота смартфона из портретной ориентации в ландшафтную. Часто, именно акселерометр называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую сторону повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра – если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. Здесь на помощь приходит следующий датчик.

Гироскоп

(gyroscope) – также служит для регистрации положения устройства в пространстве, но, в отличие от акселерометра, может регистрировать угол наклона по трем осям даже неподвижного устройства. С помощью гироскопа в играх повышается точность, поскольку разработчикам будет доступна информация об отклонении устройства в градусах с погрешностью всего в 1-2 градуса. Многие считают, что даже недорогие смартфоны и планшеты оснащены гироскопом. Однако наш эксперимент показал, что недорогие смартфоны и планшеты не могут похвастаться наличием гироскопа – только акселерометр. Вот несколько смартфонов и планшетов, где гироскоп обнаружить не удалось:

А вот, где есть пресловутый датчик:

OnePlus One

Гироскоп мы также обнаружили в Samsung Galaxy S III DUOS, Galaxy S5 mini, LG NEXUS 5. И не стоит сомневаться, что гироскоп и солидный набор других датчиков содержится в ТОПовых решениях вроде Samsung Galaxy Note Edge, Galaxy S 6, Galaxy A7, Sony Xperia Z3+, LG G4 и других лучших современных смартфонах.

Удивительно, но в LG G4S и Asus FonePad 8 (про который мы уже писали — подробный обзор Asus FonePad 8) гироскопа в списке датчиков не видно, зато полно вспомогательных сенсоров:

Справедливости ради, нужно отметить, что вспомогательные датчики, рассмотренные нами в самом конце статьи, могут нивелировать отсутствие гироскопического датчика, но, мы полагаем, не полностью.

Геомагнитный датчик

(geomagnetic field sensor, магнитометр) – датчик, реагирующий на магнитные поля земли. С его помощью можно определить стороны света, поэтому часто его называют электронный компас. В частности, наличие такого датчика сильно поможет устройствам без модуля GPS определить местоположение (не без помощи WiFi и вышек сотовой связи, разумеется). Магнитометр – один из ключевых датчиков, который совместно с акселерометром и гироскопом даёт возможность разработчикам использовать устройство на полную мощность. Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности вроде Geomagnetic Rotation vector sensor. Естественно, магнетометр можно использовать по прямому назначению: в качестве металлоискателя, для поиска проводки в стенах, в качестве компаса — ищите в магазинах приложений нужное.

Некоторые приложения для смартфонов, использующие геомагнитный датчик

Датчик приближения

(proximity sensor) – датчик позволяет определить предмет перед собой и расстояние до него. Представляет собой инфракрасный излучатель и приёмник. Когда на приемник не поступает излучения – предмета нет, а когда поступает – предмет, от которого отражается луч, есть. Этот датчик даёт возможность отключить дисплей, когда вы приблизили ухо к смартфону для совершения звонка. Продвинутые версии датчика используются в качестве датчика жестов (gesture sensor) – смартфон может распознать определенные жесты рук и совершить заданное действие. В некоторых случаях, датчик приближения может быть использован для отключения дисплея при использовании чехла (дешёвая альтернатива датчику Холла).

Что такое акселерометры и для чего они нужны

Акселерометры или датчики ускорения встроены практически во все современные устройства. Они не только обеспечивают ориентацию в пространстве, но и делают гаджеты «умными». РБК Тренды объясняют, как это работает

Что такое акселерометр

Акселерометр — это прибор для измерения ускорения, который работает как датчик изменения положения устройства в пространстве. Акселерометр определяет направление, степень, скорость отклонения устройства и отвечает за разворот картинки на экране смартфона или включает экран фитнес-браслета при повороте запястья. Благодаря этому устройству гаджет распознает, сколько его хозяин прошел шагов или занимается ли он сейчас спортом.

Акселерометры измеряют ускорение, что на практике означает изменение скорости или направления. Это могут быть удары и вибрации, резкое увеличение или уменьшение скорости, силы, которые могут указывать на слишком быстрый поворот.

Существует множество типов акселерометров. Самыми простыми являются одноосевые, которые могут обнаруживать изменения скорости в одном измерении. Например, одноосевый акселерометр, установленный в локомотиве, может обнаруживать изменения скорости поезда. При этом акселерометры в телефоне или планшете измеряют скорости по трем осям направления. Таким образом, трехосевой акселерометр в смартфонах может предоставлять информацию о движении объекта в пространстве.

Акселерометры присутствуют во всех современных смартфонах и «умных» гаджетах. Первый такой прибор появился в телефоне Nokia 5500, который вышел в 2006 году. Он выполнял роль шагомера в спортивном режиме. Однако акселерометры стали стандартом в iPhone. Начиная с модели iPhone 4, он используется вместе с гироскопом, где измеряется сопротивление силе поворота. Это обеспечивает большую точность измерений.

Как работает акселерометр

Датчик механического акселерометра содержит элемент инертной массы или грузик, который удерживается пружинами (от одной до трех, в зависимости от количества осей). Пружины фиксируются на неподвижной детали. Они измеряют движение элемента относительно устройства. Чем больше прогиб пружин, тем больше отклонение и, следовательно, тем выше регистрируемое ускорение. При этом скорость (например, при тренировке) высчитывается исходя из изменений этого ускорения во времени с учетом сил гравитации.

Однако электронный акселерометр в смартфоне вместо инертной массы использует набор проводников, которые движутся под воздействием ускорения и изменяют напряженность поля вокруг себя. По этому показателю можно определить, в какую сторону сдвинулись проводники, а также — какое движение вызвало этот сдвиг.

Акселерометр не способен точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а оценивает его примерно. В этом случае экран смартфона при повороте телефона может перевернуться не сразу. Однако установка акселерометра вместе с гироскопом, который определяет угол и скорость поворота устройства, решает эту проблему.

Датчик акселерометра может перестать работать по многим причинам: падение устройства, сильные удары, попадание в корпус воды, а также неправильная конфигурация. В последнем случае его можно настроить самостоятельно с помощью специальных приложений. Эта опция доступна на Android-устройствах, а iOS-устройства следует перезагрузить.

У современных моделей акселерометров погрешность измерений составляет 3–10%, а у более простых она близка к 30%. Так, если носить смартфон на шнурке на шее, то погрешность будет выше, а если положить в карман — ниже. При этом положение устройства в пространстве никакой роли не играет. Кроме того, точность измерений зависит от рельефа местности — чем ровнее поверхность, тем ближе показатели к реальным. Свою роль играет и температура — в сильную жару данные могут искажаться. Наконец, на подсчеты акселерометра влияет то, разговаривает ли человек по телефону во время ходьбы.

Кстати, в условиях невесомости показания любого акселерометра будут равны нулю. Это связано с тем, что ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и равно гравитационному ускорению, а кажущегося ускорения, которое измеряет датчик, просто не существует.

Именно поэтому в iPad, которые отправляли на МКС, отключали функцию автоповорота экранов.

Для чего нужен акселерометр

Акселерометры встраивают не только в мобильные устройства. Их применяют в целом ряде отраслей промышленности. Акселерометры наряду с гироскопами являются важнейшими компонентами систем навигации и управления самолетов, ракет и других летательных аппаратов, а также морского транспорта. Они помогают ориентироваться и рассчитывать координаты объектов благодаря их ускорению там, где нет внешних ориентиров. Кроме того, акселерометры задействуют для проверки систем устойчивости при воздействии вибрации в строительстве и на предприятиях.

Также акселерометры встраивают в системы управления жестких дисков компьютеров, чтобы при падениях или ударах они активировали механизм защиты от повреждений. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

Акселерометрами оснащается вся современная бытовая техника, даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах датчик при падении отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.

В устройствах управления игровых приставок акселерометры используются для управления в играх без использования кнопок с помощью контроллеров.

Акселерометр в смартфоне

В настройках смартфона акселерометр по умолчанию выключен. Обычно он обозначается как «Поворот экрана». Однако датчик обеспечивает не только автоматическую смену ориентации экрана при повороте. Он отвечает за реализацию целого ряда функций:

• отслеживание физической активности (подсчет шагов);
• определение положения владельца в пространстве с помощью навигационных приложений (Google Карты и так далее);
• реагирование на жесты для выполнения команд, например, отключения музыки (постукивание, встряхивание корпуса, его переворот экраном вниз);
• управление игровым процессом при помощи наклонов.

Акселерометр в фитнес-браслете

Акселерометр присутствует во всех фитнес-браслетах и «умных» часах. Он также обеспечивает работу нескольких функций:

• подсчет шагов;
• мониторинг сна (благодаря распознаванию движения руки);
• работу функции «Умный будильник» (будит владельца гаджета в фазе быстрого сна);
• включение экрана при вращении кисти руки.

Акселерометр в планшете

Датчик акселерометра фиксирует положение планшета в пространстве и включает поворот экрана. Кроме того, он:

• контролирует масштабирование страниц в браузере при наклоне корпуса;
• реагирует на встряхивания и удары (отмена действия, смена обоев и так далее);
• реагирует на сильные удары и активирует автопарковку головок жесткого диска, чтобы защитить его от повреждений.

Акселерометр в видеорегистраторе

Акселерометр применяется системах видеорегистраторов автомобилей для сбора данных. Эти системы могут включать в себя многоосевые акселерометры для измерения скорости, ускорения и замедления машины, а также гироскопы для определения вращения и ориентации.

• определить, насколько быстро ехал водитель и двигался ли он, если случилось столкновение;
• сохранить запись на карте памяти видеорегистратора при ударах и экстренно активировать ее при изменении поведения автомобиля;
• в сочетании с машинным зрением и искусственным интеллектом — обнаружить рискованное поведение, например, отсутствие торможения на знаке остановки.

Акселерометр в наушниках

Первая гарнитура с акселерометром была выпущена компанией Jawbone в 2011 году. С тех пор датчик стали встраивать в продвинутые модели наушников. Он позволяет:

• реагировать на движения (встряхивание, постукивание), чтобы отвечать на вызовы, переключать их и завершать;
• автоматически убавлять громкость звука, если пользователь снимает гарнитуру;
• активировать шумоподавление во время разговора, распознавая голосовые вибрации.

В AirPods Max и Pro система пространственного аудио с акселерометром и гироскопом отслеживает движения головы и перемещения сопряженного устройства, чтобы положение звука всегда было привязано к экрану, даже если пользователь отвернулся.

Акселерометр в медицине

Акселерометры используются в различных медицинских устройствах. Их встраивают в носимые устройства, которые распознают падения и обычно используются пожилыми людьми. Датчик считывает изменение положения тела, а устройство автоматически отправляет сообщение в экстренные службы.

Кроме того, акселерометры встраивают в системы распознавания положения медицинских датчиков на теле человека. Это требуется, чтобы устройства были установлены правильно и выдавали корректные показатели. Так, исследование 2014 года показало, что датчики захвата передвижений у больных рассеянным склерозом или остеоартритом лучше всего размещать на лодыжках, так как они точнее фиксируют действия.

В последние годы для медицинского применения одобрили ряд устройств на основе акселерометров для имплантов, в том числе кардио- и нейростимуляторов, которые обеспечивают лучший мониторинг состояния пациентов.

Кроме того, в перспективе акселерометры можно будет встраивать в «умную» ткань медизделий. Исследование с участием пациентов с варикозом, которые носят компрессионные чулки, показало, что акселерометры довольно точно предсказывают время износа изделий.

Исследования показывают, что пока использовать обычные фитнес-браслеты с целью медицинского мониторинга довольно сложно. Хотя самые популярные показатели активности у потребительских и медицинских устройств практически совпадают, но более сложные данные выглядят неточными. Так, показатели шагометра часов Fitbit и специализированного устройства ActivPAL оказались схожи, но достоверность мониторинга ЭКГ в Apple Watch Series 4 вызвала вопросы. Однако исследователи предполагают, что в будущем фитнес-браслеты и умные часы станут частью общей экосистемы мониторинга пациентов в качестве автономных или «мультисенсорных» устройств.

Позиционируемся в пространстве, или зачем в планшете акселерометр

Вы когда-нибудь задумывались о том, каким образом ваш планшет или смартфон понимает, что вы повернули гаджет и нужно развернуть интерфейс в альбомную или книжную ориентацию? Наверное, изучая характеристики будущего устройства, многие встречали среди них слово «акселерометр».

Но большинство обычно пропускает подобные детали мимо ушей, обращая внимание на объём внутренней памяти, разрешение экрана и ёмкость батареи. И всё же, акселерометр в планшете, что это такое и для чего нужен, кроме поворота экрана? Давайте выяснять.

Как это работает?

Не будем приводить здесь определение акселерометра, так как все желающие с лёгкостью могут найти его в Википедии. Лучше остановимся немного подробнее на его устройстве и принципе действия. Простейший акселерометр представляет собой груз, подвешенный на пружине над демпфером. При изменении положения системы в пространстве, колебания груза погашаются демпфером, а деформация пружины считывается датчиками, преобразующими её в информацию о пространственном положении объекта.

Конечно, в современных цифровых устройствах, особенно мобильных, датчик акселерометра отнюдь не так примитивен, но когда-то именно такие приборы применялись на заре авиации и ракетостроения. Сегодня акселерометр применяется в огромном количестве отраслей — от авиации до электроники, его можно встретить как на подводной лодке, так и в смартфоне, лежащем в кармане школьника.

Зачем это в моём планшете?

Вы являетесь счастливым обладателем планшета на операционной системе Андроид. Акселерометр играет важную роль в вашем повседневном взаимодействии с гаджетом, хотя вы можете даже не замечать этого или не придавать значения. Каждый раз, когда вы крутите своё устройство, разворачивая его для более удобного просмотра видеоролика на YouYube или сёрфинга в интернете, именно этот датчик определяет положение в пространстве и даёт команду на поворот экрана.

Когда в какой-то игре вы управляете персонажем или гоночным болидом, не прикасаясь к экрану, а лишь поворачивая планшет, то это тоже работа акселерометра. Кроме того, акселерометр участвует в подсчёте количества пройденных шагов, хотя это больше относится к смартфонам, так как вряд ли много людей используют планшет в качестве шагомера.

Калибровка датчика

Иногда случаются неприятные ситуации, в которых датчик начинает работать некорректно или вовсе прекращает работать, из-за чего управление в играх не функционирует, экран не поворачивается в удобное и привычное вам положение для сёрфинга или просмотра видео. Что делать в таком случае, как настроить акселерометр на планшете?

Первым делом, конечно, стоит проверить в настройках гаджета, не отключен ли датчик, возможно, вы сами по какой-то причине отключили автоповорот дисплея и забыли об этом. Если же в настройках всё нормально, но в работе акселерометра наблюдаются проблемы, то следует откалибровать датчик при помощи утилиты GPS Status & Toolbox, которую можно загрузить в магазине приложений Google Play.

Несмотря на своё название, приложение позволяет работать не только с GPS, но и с другими датчиками вашего гаджета. Для калибровки необходимо произвести несколько простых шагов:

1. Запустить установленное приложение.
2. Перейти в меню Tools.
3. Выбрать «Калибровка акселерометра».
4. Утилита попросит положить устройство на ровную горизонтальную поверхность для корректной калибровки. Лучшим вариантом станет стол.
5. Нажимаем «Ок», после чего произойдёт настройка датчика и приложение сообщит об окончании калибровки.

Если после всех этих манипуляций в работе акселерометра всё равно наблюдаются проблемы, то можно сделать полный сброс устройства (не забываем, что при хард-резете вся информация с гаджета сотрётся, так что делаем бэкап). Если и этот вариант не поможет, значит, проблема носит аппаратный характер и вам прямая дорога в ближайший сервисный центр, так как ремонт и калибровка акселерометра в домашних условиях без специального оборудования невозможны.

Надеемся, теперь у вас есть представление о том, что такое акселерометр, как он работает и зачем нужен в вашем любимом гаджете. Всегда полезно знать, как устроен гаджет, который сопровождает вас целый день и помогает в работе, учёбе и отдыхе. Оставайтесь с нами, и пусть ваши акселерометры функционируют безупречно!

Короткое видео о том, как откалибровать акселерометр:

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:

• Если ёмкость верхних пластинок максимальна, а нижних — минимальна, значит, грузик ушел максимально вправо
• Если ёмкость верхних пластинок минимальна, а нижних — максимальна, значит, грузик ушел максимально влево
• Если ёмкость верхних и нижних пластинок одинакова, значит грузик находится в состоянии покоя и акселерометр не зафиксировал никакого движения по оси X (влево-вправо)

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 наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!

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?