Акселерометр – это один из ключевых элементов современной носимой электроники. Фитнес-браслеты, умные часы, смартфоны, наушники, компьютеры, жесткий диск этих компьютеров, автомобили, подводные лодки, даже ракеты – везде используется акселерометр.
Но в рамках этой статьи я расскажу о смартфонах.
Зачем нужен акселерометр
В любом смартфоне (Android или iOS) акселерометр используется в основном для определения положения устройства и автоматического поворота экрана.
На основе акселерометра мы можем отслеживать движение пользователя. Например, именно так работает шагомер для подсчета количества шагов при ходьбе или беге.
Управление в огромном количестве игр построено тоже на базе этого датчика. Модная фишка в iOS постукиванием по задней крышке (сделать скриншот) в том числе ориентируется на показания акселерометра.
Как устроен акселерометр
Работу акселерометра можно сравнить со строительным уровнем: когда меняется его положение в пространстве, то пузырек воздуха перемещается в колбе.
Чтобы понять суть дальше, возьмем какой-нибудь груз и закрепим его на гибком подвесе. Обозначим где верх и где низ.
Когда эта конструкция лежит на столе, то ничего с ней не происходит. Но если перевернуть в вертикальное положение, то подвесы прогнутся под весом нашего груза. Все это происходит под действием силы тяжести, которая притягивает все предметы к земле.
Если конструкцию перевернем, то груз будет технически уже отклоняться в другую сторону. Исходя из этого, куда устремился груз – мы можем определить в каком положении у нас вверх, а где низ этой конструкции относительно грузика.
А если устройство резко дернуть вверх, то грузик на короткое время прогнет подвес еще сильнее из-за ускорения. Чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение.
Это как в автомобиле: чем быстрее разгон, тем сильнее вас вжимает в кресло.
Суть, я думаю понятна. Но такой прибор может определить положение только в одной плоскости – верх и низ. Для полноценной работы акселерометра в смартфоне нам потребуется три таких прибора, итого получим 3 оси в пространстве (x,y,z).
Такой акселерометр будет называться трехосевым.
Акселерометр в смартфоне
Возвращаясь к вопросу о том, как это все относится к нашему гаджету, и зачем я все это рассказал. Если посмотреть на внутренности смартфона, то тут не видно никаких грузиков и подвесов. А что если я скажу, что они там есть, только выглядят иначе?
Существует целый класс устройств под названием МЭМС (Микроэлектротехнические системы). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микро механические компоненты. Сюда входят и акселерометры, и гироскопы для определения угла наклона, микрофоны, магнитометры, барометры и много чего еще.
Все эти датчики представляют собой крошечные механизмы из кремния или полимеров, которые находятся внутри микросхем нашего устройства. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров (100 мкм = 0,1 мм).
Это невероятный микромир, даже существует микродвигатели. Но вернемся к нашему акселерометру. Вот так можно представить МЭМС акселерометра смартфона и смарт-часов, которое отслеживает движение только по одной оси влево-вправо.
Но как наш смартфон видит, куда отклонился грузик, и дает соответствующее указание операционной системе выполнить какие-либо действия. Именно для этого на представленной выше схеме можно увидеть отростки палочки на грузики и синие, которые зафиксированы неподвижно.
Работает это чудо техники по принципу дифференциального конденсатора. Если простыми словами, чтобы сразу стало понятно, то синие и зеленые палочки имеют разный заряд. Вспоминаем, что отрицательные и положительные заряды всегда притягиваются друг к другу, а одинаковые заряды отталкиваются. Чем ближе положительные и отрицательные друг к другу заряды, тем сильнее их взаимодействие.
То есть емкость конденсатора будет выше, если наши палочки приблизятся к друг другу, и соответственно ниже, если они будут отдаляться.
В состоянии покоя, когда наш телефон лежит на столе, расстояние между зеленой и синей палочкой одинаково, ничего не меняется. Но если я передвину смартфон, то грузик сместится, и зеленая палочка грузика с одной стороны станет ближе к синей, а с другой – дальше от нее.
Соответственно, наш смартфон и замеряет измерение емкости этих палочек между собой и понимает, в какую сторону от своего центрального положения они сместились. А соответственно, и в какую сторону я двигаю свой смартфон.
Кроме того, по скорости изменения емкости можно легко измерять ускорение, с которым я это делаю. Чем быстрее меняется емкость между палочками, тем быстрее я двигаю свой смартфон в какую-либо сторону.
Вот и весь принцип работы акселерометра в наших гаджетах. Принцип простой, но реализация очень и очень интересная. Мы рассмотрели работу датчика только по одной оси, а как я и писал ранее, обычно используется 3 оси: вверх-вниз, влево-вправо и вперед-назад.
В современных смартфонах акселерометр работает в паре с гироскопом, который измеряет изменение углов ориентации предмета.