Akcelerometr

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox senzor Akcelerometr (někdy též čidlo zrychlení) je elektromechanické zařízení nebo senzor, které měří vlastní zrychlení. Toto zrychlení není nutně totožné s koordinátovým zrychlením (změnou rychlosti), protože zahrnuje i účinky gravitace. Akcelerometr v klidu na povrchu Země tedy naměří zrychlení přibližně 1 g (9,81 m/s²) směřující vzhůru. Naopak akcelerometr ve volném pádu naměří nulové zrychlení.

Akcelerometry jsou dnes klíčovou součástí široké škály technologií, od spotřební elektroniky, jako jsou chytré telefony a herní ovladače, přes bezpečnostní systémy v automobilech až po vysoce přesné inerciální navigační systémy v letadlech a kosmických lodích.

📜 Historie

První principy, na kterých akcelerometry fungují, byly popsány již Isaacem Newtonem v jeho pohybových zákonech. Avšak první skutečný akcelerometr byl vyvinut až mnohem později.

• Počátky (začátek 20. století): První akcelerometry byly velké, mechanické a často využívaly pružinové systémy s tlumením. Byly používány především v seismologii k měření pohybů země a v raném letectví k monitorování sil působících na letadla.
• Polovodičová revoluce (50. a 60. léta): S rozvojem polovodičů se objevily nové technologie. Piezorezistivní jev a piezoelektrický jev umožnily konstrukci menších a citlivějších senzorů. Tyto akcelerometry našly uplatnění v testování raket a v automobilovém průmyslu pro nárazové testy.
• Éra MEMS (80. a 90. léta): Skutečný průlom přišel s technologií MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Tato technologie umožnila vyrábět miniaturní akcelerometry přímo na křemíkových čipech, podobně jako integrované obvody. To vedlo k dramatickému snížení velikosti, ceny a spotřeby energie. První komerčně úspěšné MEMS akcelerometry byly vyvinuty pro automobilové airbagové systémy, kde detekovaly náhlé zpomalení při nárazu.
• Spotřební elektronika (21. století): Díky nízké ceně a malým rozměrům se MEMS akcelerometry staly standardní součástí spotřební elektroniky. Společnost Apple Inc. je masivně popularizovala v zařízeních iPhone a Nintendo v herním ovladači Wii Remote, kde umožnily ovládání pohybem a automatické otáčení obrazovky.

⚙️ Princip funkce

Základní princip většiny akcelerometrů je založen na druhém Newtonově pohybovém zákoně (F = m·a). Skládají se z testovacího (setrvačného) tělíska o známé hmotnosti (m), které je pružně upevněno v pouzdře.

Když je pouzdro senzoru vystaveno zrychlení (a), setrvačné tělísko se snaží zůstat v klidu, a proto se vůči pouzdru pohne. Tento pohyb je brzděn pružným prvkem (např. miniaturní pružinkou), který na tělísko působí silou (F) úměrnou jeho výchylce. Měřením této výchylky lze určit sílu a z ní následně vypočítat zrychlení.

Výchylka se měří různými způsoby v závislosti na typu akcelerometru:

• Kapacitní měření: Setrvačné tělísko tvoří jednu elektrodu kondenzátoru a pevná část pouzdra druhou. Při pohybu tělíska se mění vzdálenost mezi elektrodami, což vede ke změně elektrické kapacity. Tato změna je elektronicky převedena na údaj o zrychlení. Tento princip je nejčastější u MEMS akcelerometrů.
• Piezoelektrické měření: Setrvačné tělísko tlačí na piezoelektrický krystal. Tento krystal při deformaci generuje elektrické napětí, které je přímo úměrné působící síle, a tedy i zrychlení. Tyto senzory jsou velmi citlivé na dynamické změny (vibrace), ale nejsou vhodné pro měření statického zrychlení (jako je gravitace).
• Piezorezistivní měření: Pružný prvek, na kterém je tělísko zavěšeno, je vyroben z piezorezistivního materiálu. Jeho elektrický odpor se mění v závislosti na mechanickém napětí (prohnutí). Změna odporu je pak měřena pomocí Wheatstonova můstku.

Moderní akcelerometry jsou často tříosé, což znamená, že obsahují tři samostatné senzory orientované kolmo na sebe (v osách X, Y, Z). To jim umožňuje měřit zrychlení v libovolném směru v trojrozměrném prostoru.

🔬 Typy akcelerometrů

Existuje mnoho různých typů akcelerometrů, které se liší technologií, cenou, přesností a účelem použití.

MEMS akcelerometry

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) jsou v současnosti nejrozšířenějším typem. Jsou vyráběny fotolitografickými procesy na křemíkových destičkách.

• Výhody: Extrémně malé rozměry, nízká spotřeba energie, nízká cena při masové výrobě, snadná integrace s další elektronikou.
• Nevýhody: Nižší přesnost a vyšší úroveň šumu ve srovnání s dražšími typy.
• Využití: Chytré telefony, tablety, notebooky (ochrana pevných disků), drony, herní ovladače, fitness náramky.

Piezoelektrické akcelerometry

Využívají piezoelektrický jev. Jsou ideální pro měření vibrací a rázů.

• Výhody: Vysoká citlivost, široký frekvenční rozsah, robustnost, schopnost pracovat při vysokých teplotách.
• Nevýhody: Neschopnost měřit statické (nulafrekvenční) zrychlení, vyšší cena.
• Využití: Průmyslové monitorování stavu strojů (diagnostika ložisek, motorů), nárazové testy, akustická měření.

Kapacitní akcelerometry

Ačkoliv je kapacitní princip často využíván v MEMS, existují i větší, diskrétní kapacitní akcelerometry s vyšší přesností.

• Výhody: Dobrá stabilita, schopnost měřit statické zrychlení, nízký šum.
• Nevýhody: Větší rozměry a cena než MEMS.
• Využití: Automobilový průmysl (ESP, aktivní podvozky), robotika, přesná měření náklonu.

Další typy

• Piezorezistivní akcelerometry: Vhodné pro měření silných rázů, například v balistice nebo při crash testech.
• Servo-akcelerometry (Force-balance): Vysoce přesné a stabilní akcelerometry, kde je setrvačné tělísko drženo na místě pomocí elektromagnetické síly. Velikost této síly je mírou zrychlení. Používají se v inerciálních navigačních systémech, seismologii a gravimetrii.
• Hallovy akcelerometry: Využívají Hallův jev k detekci polohy setrvačného tělíska s magnetem.

💡 Využití

Akcelerometry jsou dnes všudypřítomné a jejich aplikace neustále rostou.

• Spotřební elektronika:

   *   **Orientace displeje:** Automatické otáčení obrazovky v chytrých telefonech a tabletech.
   *   **Ovládání her:** Detekce pohybu v herních ovladačích (Nintendo Wii, PlayStation Move).
   *   **Krokoměry a fitness:** Sledování aktivity, počítání kroků a analýza spánku ve fitness náramcích a chytrých hodinkách.
   *   **Stabilizace obrazu:** V fotoaparátech a kamerách pomáhají eliminovat roztřesení obrazu.

• Automobilový průmysl:

   *   **Aktivace airbagů:** Detekce náhlého zpomalení při nárazu.
   *   **Elektronický stabilizační program (ESP): Měření bočního zrychlení a náklonu vozidla pro detekci smyku.
   *   **Aktivní podvozky:** Přizpůsobení tuhosti tlumičů aktuálním jízdním podmínkám.
   *   **Autoalarmy:** Detekce náklonu nebo otřesů vozidla.

• Letecký a kosmický průmysl:

   *   **Inerciální navigační systémy (INS):** V kombinaci s gyroskopy poskytují přesné informace o poloze, orientaci a rychlosti letadel, raket a družic bez potřeby externích signálů (jako je GPS).
   *   **Monitorování vibrací:** Sledování stavu motorů a konstrukce letadla.

• Průmysl a strojírenství:

   *   **Prediktivní údržba:** Monitorování vibrací strojů (motorů, turbín, čerpadel) k včasnému odhalení poruch (např. opotřebení ložisek).
   *   **Robotika:** Řízení rovnováhy a pohybu robotů.

• Věda a výzkum:

   *   **Seismologie:** Měření pohybů zemské kůry a detekce zemětřesení.
   *   **Biomechanika:** Analýza lidského pohybu ve sportu a medicíně.
   *   **Gravimetrie:** Přesné mapování gravitačního pole Země.

📊 Klíčové parametry

Při výběru akcelerometru pro konkrétní aplikaci je důležité zvážit několik klíčových parametrů:

• Měřicí rozsah (Range): Maximální zrychlení, které je senzor schopen změřit. Udává se v násobcích g (např. ±2 g, ±16 g, ±200 g).
• Citlivost (Sensitivity): Změna výstupního signálu na jednotku zrychlení (např. mV/g nebo LSB/g).
• Šířka pásma (Bandwidth): Frekvenční rozsah, ve kterém je senzor schopen spolehlivě měřit zrychlení.
• Šum (Noise): Náhodný signál, který senzor generuje i v klidovém stavu. Omezuje schopnost měřit velmi malá zrychlení.
• Počet os (Number of Axes): Počet směrů, ve kterých senzor měří zrychlení (obvykle 1, 2 nebo 3).
• Stabilita (Bias stability): Jak se mění výstupní signál v klidu v čase a při změnách teploty.

🤔 Akcelerometr pro laiky

Představte si, že sedíte v autě a na klíně máte položený malý balónek. Když auto prudce zrychlí dopředu, balónek se setrvačností skutálí dozadu. Když auto prudce zabrzdí, balónek se naopak posune dopředu. A když projedete ostrou zatáčkou, balónek se posune ke straně.

Akcelerometr funguje na velmi podobném principu, jen v miniaturním měřítku. Uvnitř malého čipu je mikroskopické "závažíčko" (jako ten balónek) zavěšené na pružinkách. Když pohnete zařízením (například telefonem), toto závažíčko se vůči čipu mírně pohne. Elektronika v čipu přesně změří, jak moc a jakým směrem se závažíčko vychýlilo, a z toho vypočítá, jak velké bylo zrychlení.

Díky tomu váš telefon ví, jestli ho držíte na výšku nebo na šířku (protože gravitační síla táhne závažíčko vždy dolů), umí počítat vaše kroky (protože při každém kroku dochází k malému otřesu a zrychlení) nebo umožňuje ovládat hry nakláněním. V autě zase akcelerometr bleskově pozná náraz (obrovské záporné zrychlení) a dá pokyn k aktivaci airbagů.

Šablona:Aktualizováno