Прибор для измерения ускорения в телефоне: что такое акселерометр

Определение и история

Основная функция этого прибора — измерение ускорения наземных транспортных средств, самолетов, ракет и другого оборудования. Впервые он появился в конце 19 века. Устройство устанавливали на поездах и автомобилях, чтобы иметь возможность отслеживать скорость их движения.

Шкала показывала все возможные и максимальные значения, допустимые для конкретного вида транспорта. Такая конструкция позволяла избежать превышения скоростного режима и предотвратить разрушение двигателя. Но у этого помощника был недостаток. Что это? Акселерометр был чрезвычайно громоздким. Так что позже дизайн все время менялся.

Первые устройства такого типа поступили в Россию уже в сериях автомобилей Ford и Mercedes-Benz. Также они ходили вместе с паровозами немецкого производства. Была только одна проблема. Дело в том, что эти акселерометры не выдерживали холодного климата. Поэтому российским предприятиям транспортного машиностроения пришлось разрабатывать собственные модели.

Для чего используется акселерометр

Управляйте акселерометром в игре Asphalt 8.

Датчик используется для расширения функциональных возможностей и / или в качестве защитной меры:

• Автомобильные видеорегистраторы активируются резким торможением и автоматически начинают запись видео, если видеорегистратор в это время находился в режиме ожидания. Эта функция часто позволяет записать момент столкновения или аварии.
• В жестких дисках включен режим парковки головки, чтобы предотвратить повреждение механических частей и / или потерю информации.
• Фитнес-браслеты и умные часы позволяют подсчитывать количество шагов, сделанных за день.
• В смартфонах и планшетах акселерометр выполняет несколько функций: изменение ориентации экрана, проверка в играх, подсчет шагов, определение положения в пространстве на картах, смена треков и другие действия путем встряхивания устройства.

Чем отличается акселерометр от гироскопа

Пользователи часто путают гироскоп с акселерометром. Гироскоп измеряет положение устройства в пространстве относительно трех плоскостей. А акселерометр измеряет ускорение устройства в космосе. Оба датчика измеряют аналогичные значения, но выполняют разные функции. Акселерометр используется в большинстве устройств. Пока гироскоп не обязателен. Наличие двух датчиков увеличивает точность измерения и скорость отклика.

Как устроен акселерометр

Внутри пластикового корпуса установлена ​​инертная масса и ряд датчиков. В момент движения инертная масса меняет положение, которое фиксируется датчиками, и телеметрия передается на смартфон. Датчики изготавливаются автоматически на заводе и не могут быть воспроизведены дома. Также датчики редко стоят дороже 1 доллара. Поэтому для различных профессий или для замены неисправного акселерометра проще заказать датчик или купить его в радиомагазине.

Строение акселерометра.

Разновидности

Существуют следующие типы акселерометров:

• Емкостный. Он отслеживает изменение емкости между статической и динамической.
• Пьезоэлектрический. Устройство работает на одноименный эффект (в зависимости от давления на кристаллы появляется электрический потенциал).
• Пьезорезистивный. Измеряет электрическое сопротивление приложенному механическому давлению.
• Устройство на эффекте Холла. Он измеряет колебания напряжения из-за изменений магнитного поля вокруг самого устройства.
• Магнитное сопротивление. Корректирует изменения магнитного поля. В отличие от предыдущего, измеряет сопротивление.
• Устройство теплопередачи. В зависимости от ускорения он измеряет изменения теплопередачи.

Новое время

На фото выше вы можете увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современная конструкция акселерометров позволяет подключать их к бортовым компьютерам автомобилей, поездов, самолетов и ракет. Таким образом получается абсолютно полная система. Его основная задача — анализировать измерение скорости ускорения. Далее компьютер выдает соответствующую команду для исправления работы, при этом скорость движения увеличивается или уменьшается.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за рамки транспортной отрасли. Это устройство тоже начали устанавливать в сотовые телефоны, но в несколько ином виде. Это современный вариант уменьшенного устройства, о котором пойдет речь ниже.

Мобильная индустрия

Выше уже было сказано, что акселерометр — это устройство, позволяющее измерять и регулировать изменения скорости движения транспортных средств. Однако сегодня его можно найти в сотовых телефонах.

Для чего нужен акселерометр в смартфоне?

Зачем нужен G-сенсор в телефоне и каковы его основные задачи, разберемся дальше. Во-первых, сенсор увеличивает функциональность гаджета:

1. Если вы бегаете утром (вечером), этот датчик можно использовать как шагомер;
2. G-сенсор в мобильном гаджете превращает большинство игр в захватывающее трехмерное удовольствие, потому что благодаря акселерометру телефон очень быстро реагирует на минимальное положение в пространстве;
3. Устройство легко воссоздает положение смартфона в пространстве в реальном времени. Другими словами, если устройство лежит, датчик автоматически переворачивает конструкцию смартфона, так что пользоваться телефоном становится намного удобнее. В частности, это касается просмотра клипов и различных программ.

Неопытные пользователи, использующие Android только для звонка, отправки SMS, чтения книги или просмотра изображения, недовольны работой акселерометра, потому что из-за постоянного движения ориентация фотографии меняется, а изображение скачет. Пользователей это раздражает. В этом случае лучше отключить эту функцию автоматического поворота: «Настройки», затем вкладка «Отображение», затем «Автоматическое вращение».

Датчик может не работать. Это остановит работу смартфона. Пользователь заметит это во время игры. Это будет особенно заметно, если во время игры человек держит телефон горизонтально и наклоняет машины на экране во все стороны. В этом случае снова требуется калибровка.

Сейчас большинство компаний-производителей оснащают большинство телефонов G-сенсором. Что интересно, этим сенсором оснащаются как дорогие Android-устройства, так и бюджетные устройства.

Первое устройство

Первым мобильным устройством, получившим акселерометр, стал Nokia 5500. В таком маленьком корпусе было невозможно использовать устройство в его первоначальном виде. Поэтому было решено использовать миниатюрную микросхему. Внутри была инертная масса. Возникает резонный вопрос: какую функцию выполнял первый акселерометр в телефоне. Что это было? То же, что сейчас очень популярно в различных фитнес-браслетах и ​​других устройствах, — это шагомер.

Принцип действия датчика

Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке функций смартфона, может задаться вопросом, что это такое, как работает и как выглядит. На эти вопросы нетрудно ответить: прибор, названный от латинского слова «accelero» («ускоряется»), используется для измерения кажущегося ускорения.

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

Между тем, зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. Оба датчика, по сути, могут измерять одни и те же значения, но не могут полностью заменить друг друга.

В этом случае гироскоп в телефоне нужен для определения угла поворота гаджета относительно определенной плоскости. А акселерометр нужен для проверки положения в пространстве путем измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджетов получать более точные результаты.

Рис. 1. Пример акселерометра.

Рассматривая действие акселерометра и что это такое в целом, стоит знать принцип работы классического прибора:

1. Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, груз), закрепленную на упругом элементе.
2. К неподвижному элементу прикрепляется эластичная деталь, например пружина.
3. Пружина закреплена на неподвижной части конструкции.
4. Колебания груза подавляются демпфером.
5. При наклоне, встряхивании и повороте гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
6. Чем больше интенсивность и сила наклона, встряхивания или вращения, тем сильнее деформируется пружина.
7. После того, как масса возвращается на место под действием пружины, уровень смещения от штатного положения фиксируется специальным датчиком.

Рис. 2. Конструкция штатного акселерометра.

С другой стороны, ответ на вопрос об акселерометре в телефоне — что это такое и как выглядит — будет немного другим. В данном случае это миниатюрный элемент на доске с расположенной внутри инертной массой, обычно имеющий вид небольшого черного квадрата.

Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного: при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которой рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики устанавливаются практически на все виды мобильной техники: на телефон или планшет.

Рис. 3. Внешний вид сенсора для смартфона.

Применение устройства

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

С помощью сенсора управление осуществляется в играх: изменение положения мобильного устройства вызывает определенные действия игрового персонажа или транспортного средства, которым управляет игрок. Например, наклонив телефон, вы можете изменить направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.

Рис. 4. Игра Asphalt 8, которая управляется акселерометром.

Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для отслеживания пройденного расстояния. Это определяет приблизительное количество сделанных шагов — и хотя ошибка может быть довольно большой (в зависимости от скорости движения), полученные результаты можно использовать для улучшения результатов обучения.

Наличие таких сенсоров на смартфонах и планшетах позволяет менять ориентацию изображения. Размещая мобильный гаджет горизонтально, пользователь автоматически получает горизонтальный формат изображения или текста с помощью акселерометра. При вертикальном размещении экрана его ориентация меняется на портретную.

В других устройствах датчик используется для выполнения тех же задач, которые требуют наличия акселерометра на телефонах и для других целей. Следовательно, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности он используется как датчик вибрации.

В системах управления жесткими дисками акселерометр требуется для компенсации вибрации, вызванной ускорением объектов, и для защиты данных, хранящихся на диске.

Видеомагнитофоны, использующие этот датчик, могут определять время ускорения и замедления, записывать остановки и столкновения. На джойстиках игровой консоли требуется акселерометр для управления игровым процессом.

Включение и отключение датчика

Чтобы узнать, есть ли в вашем телефоне акселерометр, нужно повернуть экран в другое положение. Если изображение не меняется — нет сенсора или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорот».

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

В первом случае зайдите в «Настройки», выберите «Показать» и активируйте поворот изображения.

Рис. 5. Включение через настройки.

Во втором случае просто потяните пальцем за верхнюю панель, увеличивая ее размер до тех пор, пока она не заполнит весь экран, и включите соответствующую функцию.

Рис. 6. Встраивание через верхнюю панель.

Совет: Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильного телефона не нужна и может даже мешать. В таких случаях датчик можно отключить с помощью одного из меню, в котором можно включить автоповорот.

Настройка и калибровка

Почти все новые гироскопы также имеют встроенный датчик управления дроссельной заслонкой. Ввиду отсутствия в телефоне акселерометра, показывающего экономическую стоимость модели или ее выпуска много лет назад, добавить эту функцию путем перепрошивки или изменения настроек не получится.

Но если датчик есть, если он не работает или не реагирует должным образом на изменение положения устройства, его можно откалибровать.

Автоматическая настройка акселерометра Android выполняется в три этапа:

1 Загрузите бесплатное приложение для калибровки из Google Play (например, GPS Status & Toolbox). 2 Поместите телефон с акселерометром на ровную поверхность. 3 Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт «Калибровка акселерометра.

Рис. 7. Меню приложений.

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

Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.

Преимущества и возможности

Преимущества такого устройства в том, что пользователь смартфона может в любой момент узнать местонахождение гаджета в космосе. Несмотря на то, что в играх и при просмотре фильмов есть возможность регулировать не только поворот экрана, но и скорость этого поворота, а это позволяет создать максимально точное управление телефоном.

Наличие сенсора для определения положения смартфона позволяет упростить процесс использования, а точнее выполнять такие действия, как чтение книг, просмотр видео и использование приложений, максимально комфортно. Иногда акселерометр необходимо настроить до того, как он начнет работать, но этот процесс занимает несколько минут.

Акселерометр в фитнес браслетах

В умных часах и фитнес-браслетах за управление напрямую отвечает описанный датчик. Итак, это устройство:

• Измерьте общее количество сделанных шагов.
• Он распознает ритм сердца.
• Рассчитайте пройденное расстояние и скорость движения.
• Устанавливает количество энергии, которое пользователь тратит во время тренировки.

Все данные автоматически записываются, когда пользователь спит и бодрствует. Эта информация сохраняется в подробном отчете установленного программного обеспечения. Невероятно доступное устройство для всех, кто занимается спортом и старается следить за своим здоровьем.

Датчик пульса

Пульсометр — первое мобильное диагностическое устройство, появившееся в носимых гаджетах. Он предназначен для отслеживания сердечного ритма в состоянии покоя и выполнения упражнений. На основе собранной статистики можно оценить состояние здоровья и понять, оптимальна ли тренировочная нагрузка или, в случае патологий, узнать, пора ли обращаться к специалисту.

Измерения пульса

Датчики сердечного ритма, используемые в мобильных гаджетах, работают на основе оптической технологии — фотоплетизмографии (ФПГ). Смысл его в следующем. При сокращении сердечной мышцы в кровеносных сосудах изменяется артериальное давление и изменяется интенсивность капиллярного кровотока. Большее количество крови в сосуде поглощает больше входящего света. Если приложить поток света определенной интенсивности, то на основе сигнала, прошедшего через ткань или отраженного, можно сделать вывод об изменениях в анализируемой среде: например, подсчитать количество «вспышек» кровоток с точностью до минуты и сделайте вывод о частоте сердечных сокращений.

В мобильных гаджетах подсчет импульсов производится на основе как света, проходящего через ткани (в компактных пульсоксиметрах), так и света, отраженного в умных часах и фитнес-браслетах. В них светодиод, расположенный внутри устройства, излучает свет, который отражается тканями запястья и попадает на фотосенсор, регистрирующий уровень отраженного сигнала.

Для освещения используется зеленый светодиод (525 нм). Зеленый цвет излучения был выбран потому, что он наиболее контрастирует с красным цветом крови в соответствии с цветовым кругом Иттена и поэтому лучше всего поглощается.

«Умные» гаджеты регистрируют импульс автоматически (по программе) или по запросу пользователя. На основе измеренных значений они построят красивые графики в мобильных или десктопных приложениях, которые помогут следить за уровнем пульса: следить за превышением установленных лимитов, наблюдать процесс в динамике через определенные промежутки времени. В целом мобильные устройства хорошо справляются с этой задачей.

Измерения артериального давления

Поскольку датчик пульса анализирует сердечные ритмы на основе изменений кровотока и давления, логично предположить, что его можно использовать не только для расчета пульса, но и для измерения артериального давления. Это действительно так. На основе данных, полученных с датчика пульса, программа может рассчитать значение артериального давления.

Но проблема в том, что для получения результата, близкого к реальному, нужно откалибровать устройство под конкретного пользователя. В противном случае измерение артериального давления будет правильным только для тех, у кого оно находится на нормальном уровне и еще не выявлено возрастных изменений или проблем, связанных с различными заболеваниями. Поэтому, если вы хотите контролировать артериальное давление с помощью «умных» гаджетов, ищите модель с настройкой мерок под владельца.

Датчик ЭКГ

Еще более интересная вещь с точки зрения мониторинга здоровья — датчик электрокардиографии (ЭКГ). Дело в том, что о работе сердца можно судить не только по изменениям кровотока в сосудах, но и по электрическим сигналам, возникающим при работе этого органа. И эта информация более точная и информативная. Электрокардиограмма, полученная специалистом в медицинском центре, позволяет сделать выводы о работе сердца и его здоровье. Для этого на руки, ноги и грудь накладываются электроды, и результат интерпретируется компьютером.

Тот же датчик ЭКГ, только в миниатюре, сейчас установлен во многих мобильных устройствах. Например, начиная с 4-го поколения, в Apple Watch входит датчик ЭКГ. Но с мобильными датчиками есть ряд проблем.

Дело в том, что в профессиональной медицинской технике обычно используется 10-12 датчиков, минимум шесть из них размещаются в области сердца. Носимое мобильное устройство прикрепляется к вашему запястью. То есть на большом расстоянии от сердца. А датчиков в таких устройствах значительно меньше.

Например, в Apple Watch их всего два: один находится в Digital Crown, второй вместе с датчиком пульса установлен внутри.

Поэтому точность ЭКГ, выполненной с помощью мобильного устройства, недостаточно высока для серьезных клинических выводов. Однако даже этой точности достаточно для выявления мерцательной аритмии, что указывает на то, что визит к врачу откладывать не следует.

Еще один важный момент — работа функции ЭКГ должна быть проверена регулирующими органами в разных странах. На момент написания, например, Apple имела разрешение на использование функции ЭКГ в США. В России Росздравнадзор сертифицировал его буквально несколько дней назад. В остальном мире он официально отключен, хотя в устройствах есть датчики. Остается только надеяться, что рано или поздно проблема будет решена и полезная функция будет разблокирована.

Датчик уровня шума

Еще одна интересная функция, доступная, например, в Apple Watch: измерение уровня шума. Датчик фиксирует уровень фонового шума, и если он на какое-то время превышает пороговое значение, гаджет выдает уведомление и предлагает покинуть место с высоким уровнем шума.

Полезна ли такая функция? Да, как указывает ВОЗ, значительное число людей подвержено риску потери слуха из-за высокого уровня шума в развлекательных заведениях. Вы, наверное, замечали, что, покинув рок-концерт или клуб, какое-то время чувствуете все, как ватный тампон. Датчик шума убережет вас от таких «сюрпризов». Если, конечно, вы сами не хотите защищаться.

Датчик уровня кислорода в крови

Теперь поговорим о новом сенсоре, который недавно начали оснащать мобильные устройства. Это датчик для определения уровня кислорода в крови. В свете коронавирусной инфекции, ставшей главной темой 2020 года, эта функция оказалась чуть ли не самой разрекламированной.

Следует отметить, что, помимо наблюдения за своим состоянием в свете недавних событий, мониторинг уровня кислорода в крови интересен и в других случаях: недостаток кислорода приводит к неприятным явлениям, таким как дыхательная недостаточность, одышка, головная боль и т.д.и так далее.

Врачи измеряют уровень кислорода в крови с помощью небольших устройств, называемых пульсоксиметрами. Внешне они напоминают прищепку с прикрепленным к пальцу экраном и дают информацию о пульсе и степени оксигенации артериальной крови. По этой причине датчики кислорода в крови также называют датчиками SpO2.

Это сокращение означает:

• S — степень насыщения (насыщения) кислородом.
• P — пульс.
• O2 — кислород.

Значение насыщения от 95 до 100% считается нормальным, значения ниже 90% указывают на проблемы.

В пульсоксиметре датчик уровня кислорода работает следующим образом. В приборе есть светодиод, излучающий сигналы инфракрасного диапазона и красного цвета, а также фотоприемник, фиксирующий, какая часть светового потока прошла через ткани пальца с капиллярами. Похожий метод используется в умных гаджетах.

Только фотодетектор принимает не сигнал, прошедший через ткань, а сигнал, отраженный от нее, так как браслет или часы прикреплены к запястью. По уровню отраженного сигнала приложение, встроенное в гаджет, оценивает насыщенность и отображает измеренное значение.

Такие датчики используются в новой серии Apple Watch, а также в многочисленных фитнес-браслетах, таких как Honor Band 5 и Huawei Band 4 PRO.

Точность измерений и их использование для диагностики

Все вышеперечисленные измерения — пульс, ЭКГ и уровень кислорода — работают в мобильных устройствах в упрощенном режиме. У них есть уровень ошибок, который не позволяет использовать их в качестве медицинских диагностических устройств. Об этом написано в документации на все умные часы и фитнес-трекеры, но, тем не менее, на этом стоит остановиться подробнее.

Например, датчик уровня кислорода может иметь ошибку на несколько процентов, а значение может колебаться как в большую, так и в меньшую сторону. Кроме того, результаты измерения изменятся, если браслет или часы не плотно прилегают к запястью или слишком холодно.

Поэтому производители и специалисты обращают внимание на то, что все данные, полученные с мобильных датчиков, можно использовать для общего мониторинга здоровья и оценки динамики состояния организма. Они не предназначены для использования в диагностике и не являются медицинскими приборами. Для профессионального обследования необходимо использовать специализированную методику.

В то же время следует отметить очевидную выгоду от использования датчиков в мобильной технике. Спортсмены и только любители активного образа жизни успешно контролируют тренировочный процесс, объем нагрузок. А те, кто приехал, чтобы поближе познакомиться со своим здоровьем, собирают статистику, которая показывает общую картину изменений и может связать ее с их благополучием.

Анализ собранной статистики позволит вовремя заметить, если что-то пошло не так, и своевременно обратиться к врачу, например, если у вас сердечно-сосудистые заболевания. Поэтому во многих случаях использование мобильной диагностики интересно, полезно и даже необходимо.

Итог

Очевидно, что такое устройство, как акселерометр в мобильном гаджете, — это не просто удобная функция, а полноценная система взаимосвязи между человеком и устройством: от шагомера до навигации, управления жестами и систем безопасности. Крошечный чип (меньше монеты 10 копеек) моментально реагирует на изменение положения устройства в пространстве, фиксирует удары, толчки и вращения. И на каждое из этих действий есть ответ благодаря программному обеспечению смартфона.