Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое гироскоп, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое гироскоп, датчик ускорения, акселерометр, гиродатчик, инклинометр, датчик удара, g-сенсор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
Рассмотрим миниатюрные приспособления - гироскоп и акселерометр, которые встраиваются во многие современные электронные устройства: плееры, планшеты, коммуникаторы, фото- и видеокамеры.Синонимом слова «гироскоп» является слово « гиродатчик », а синонимом «акселерометра» — G-сенсор. Сами же гироскоп и акселерометр — вещи разные (некоторые их путают), но они отлично дополняют друг друга, работая в паре.
Акселерометр (G-сенсор, датчик ускорения ) — это миниатюрное устройство, которое, если говорить научным языком, измеряет проекцию кажущегося ускорения. Если говорить проще, то оно определяет угол наклона устройства относительно поверхности Земли. Программное обеспечение, получающее информацию об угле наклона с акселерометра, поворачивает изображение на экране. Например, на устройстве с G-сенсором для перехода в альбомную (ландшафтную) ориентацию экрана достаточно всего лишь повернуть устройство на 90 градусов. Изображение на экране повернется как бы «само», так как сработает акселерометр.
Как известно, перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными величинами, т.к. скорость и ускорение являются производными перемещения. С помощью простых электрических цепей преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение может быть осуществлено с высокой точностью. Поэтому акселерометры на сегодняшний день являются основными датчиками вибрации: их выходной сигнал можно легко подвергнуть однократному или двухкратному интегрированию и получить либо скорость, либо смещение.
Но метод интегрирования не пригоден для сигналов с малой частотой, где погрешность сигналов с большими шумами слишком велика и недопустима для проведения измерений, поэтому в низкой полосе частот (около 1 Гц), как правило, используют датчики положения, для сигналов менее 1 кГц наиболее подходят датчики скорости, а в области высоких частот применяются датчики ускорения.
В зависимости от вида измеряемого движения акселерометры делятся на угловые и линейные. Линейные акселерометры состоят из магнита и катушки индуктивности, выходное напряжение которой прямо пропорционально скорости магнита. Т.к. линейные датчики способны измерять ускорение только в пределах своих габаритных размеров, их часто используют для измерения вибраций. В угловых акселерометрах магнит находится внутри катушки индуктивности и выходной сигнал пропорционален скорости движения магнита.
Гироскоп (гиродатчик) — это приспособление, которое служит для определения ориентации устройства в пространстве, для отслеживания его перемещения. Программное обеспечение, используемое вместе с гироскопом, способно быстро реагировать на перемещение устройства в пространстве и принимать соответствующие решения. Например, в ноутбуках гироскоп позволяет быстро включить режим фиксации жесткого диска в случае падения или просто резкого перемещения устройства. Это очень полезно, поэтому желательно, чтобы покупаемый вами ноутбук/нетбук был оснащен гиродатчиком. Впрочем, во многих. ноутбуках для аналогичных целей используется и акселерометр.
Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение.
Гироскопы, наряду с компасами, широко применяются для решения задач навигации. Принцип работы гироскопов основан на эффекте ускорения Кориолиса.
Инклинометр (от лат. inclino — наклоняю и …метр ) — прибор, предназначенный для измерения угла наклона различных объектов относительно гравитационного поля Земли. Помимо собственно величины угла наклона, может измеряться его направление — азимут. Промышленные инклинометры обеспечивают бесконтактное измерение угла наклона объекта по отношению к земной оси. Обычно такие инклинометры имеют встроенный акселерометр и гироскоп
Главное отличие гироскопа от акселерометра — в принципах работы данных аппаратных компонентов. Первый вычисляет свой угол наклона относительно земли, второй подсчитывает собственное ускорение — но, опять же, относительно земной поверхности. На практике обе функции могут в ряде случаев заменять друг друга или же удачно дополнять. Поэтому многие мобильные девайсы оснащаются как акселерометром, так и гироскопом.
Вместе с тем у акселерометра есть ряд возможностей, недоступных для гироскопа. В частности — формирование сигналов, позволяющих определить расстояние, пройденное пользователем мобильного устройства.
Определив то, в чем разница между гироскопом и акселерометром, зафиксируем ее ключевые критерии в таблице.
Схема акселерометра и механического гороскопа
Таблица Сравнение гироскопа и акселерометра
| Гироскоп | Акселерометр |
| Что между ними общего? | |
| Оба устройства позволяют определить их положение относительно земли, а также того гаджета, в котором они инсталлированы, и могут задействоваться в этих целях одновременно | |
| В чем разница между ними? | |
| Определяет собственный угол наклона относительно земли | Определяет ускорение относительно земной поверхности |
| Не может использоваться в целях измерения длительности перемещения устройства | Может применяться для измерения длительности перемещения устройства |
В современных коммуникаторах, телефонах и планшетах акселерометр и гироскоп используются также как важные элементы управления игровым процессом. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В результате у игрока появляется возможность управления, например, виртуальным автомобилем в каких-нибудь гонках простыми поворотами, встряхиваниями и прочими движениями устройства. И, естественно, спектр игр не ограничивается только гонками. Существует огромное количество самых разных игр, использующих гироскоп и акселерометр как средство управления. Все это делает игровой процесс более увлекательным и интерактивным.
В ряде устройств программное обеспечение также может использовать акселерометр и гироскоп в самых различных случаях. Например, на коммуникаторах iPhone в портретной (стандартной) ориентации экрана калькулятор самый обычный — отображаются лишь кнопки с цифрами и простейшими арифметическими действиями. А вот при повороте устройства на 90 градусов калькулятор автоматически переходит в профессиональный режим — появляются кнопки с тригонометрическими, логарифмическими и прочими функциями.
Помимо этого, в iPhone, iPod и iPad акселерометр задействуется музыкальным проигрывателем: в портретной (вертикальной) ориентации экрана на дисплее отображается список песен/авторов/альбомов, а при повороте устройства на 90 градусов происходит переход в своеобразный режим, который называется CoverFlow. На экране появляются изображения обложек альбомов, которые можно прокручивать простым движением пальца. Важно понимать, что акселерометр здесь выполняет только одну функцию: обеспечение автоматического перехода из стандартного режима в режим CoverFlow.
Еще одно применение описываемых датчиков можно увидеть в режиме навигации. Например, смотрите вы на устройстве (с GPS-модулем, конечно) карту местности. Карта эта — с помощью гироскопа — отображается в соответствии с вашим расположением; иными словами, на экране изображается схема той местности, которая находится прямо перед вами. Вы поворачиваетесь, и карта на экране тоже поворачивается. Фактически, карта всегда соотвествует направлению вашего взгляда/тела. Это очень практично.
Наконец, стоит отметить функцию шагомера, которой обладают некоторые устройства с акселерометром (например, плееры iPod Nano 5-го и 6-го поколений, коммуникаторы iPhone). Шагомер позволяет измерять пройденное за день расстояние (или же, к примеру, расстояние, которое вы пробежали за какое-то время). Правда, точность измерения зависит от многих факторов и иногда бывает весьма низка.
Как видите, акселерометр и гироскоп — вещи достаточно полезные, хотя жизненной необходимости в них, разумеется, нет. Хотелось бы также заметить, что гиродатчик и акселерометр не обладают телепатическими свойствами и реагируют на любые повороты и передвижения устройства, в том числе и случайные. Это, естественно, раздражает, и многие данные датчики просто-напросто отключают. Лично я — использую.
Отдельно стоит сказать несколько слов об акселеромтрах (G-сенсорах) в e-ink ридерах. Из-за специфики е-инк экрана (он отличается медлительностью), G-сенсор в ридере — удовольствие очень сомнительное. Если он ошибочно сработает, вам придется ждать, пока произойдет поворот изображения/текста на экране в ненужный вам режим, а потом — пока произойдет обратный поворот.
А ошибочные срабатывания, на самом деле, не так уж редки. Например, ложитесь вы с ридером на кровать или на диван, и G-сенсор подает сигнал — надо повернуть текст на экране. А вам это вовсе не требуется. Подождали, повернули текст обратно. Затем решили повернуться на бок. Снова сработал G-сенсор, и снова зря. Как видите, неудобно. Именно поэтому многие пользователи е-инк ридеров акселерометр отключают. И именно поэтому я не советую делать наличие акселерометра (равно как и гиродатчика) одним из критериев выбора ридера. Лучше, чтобы у ридера была возможность осуществлять поворот текста/изображения на экране при помощи одной кнопки
Пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры создаются на основе твердотельных материалов, которые обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям.
Такой тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, благодаря точности данных, надежности и простые конструкции (рис. 1, а). Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g, они имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении с термокомпенсацией. Их погрешность составляет 0,5% при температурах -40...+ 110 ˚С.
Рис. 1. датчики ускорения и акселерометры
а) Принципиальная конструкция акселерометра;
б) Высокочастотный сигнал пьезодатчика;
в) Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического акселерометра
При деформации (сжатии) пьезокристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Рабочий диапазон частоты 5...100000 Гц. Для обработки сигнала от подобных пьезоэлектрических датчиков используется электронный усилитель-формирователь (рис. 1, в). Акселерометры подушек безопасности автомобиля
Эти акселерометры являются механическими датчиками инерционного типа. Такие датчики обычно располагаются не дальше 40 см от предполагаемого места удара. Обычно используются 3...5 датчиков.
Конкретное исполнение инерционных датчиков может отличаться у разных производителей системы безопасности, но все они работают по одному и тому же принципу.
В обычных условиях движения автомобиля выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15...20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 15...30 км/ч. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности.
Рис. 2. Акселерометр с постоянным магнитом
Самыми распространенными механическими акселерометрами являются акселерометры с постоянным магнитом. Эта механическая конструкция (рис. 2) состоит из чувствительной массы (металлического шара), которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом.
Выходные электрические контакты датчика всегда разомкнуты, и при столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар двигается по цилиндру и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.
В таких датчиках различные конструктивные параметры его элементов, например, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и др., увязываются с динамикой конкретного автомобиля при ударе. При этом учитывается вес автомобиля, конструкция корпуса, места расположения датчиков.
В последние годы в машиностроении, в т. ч. - в автомобилестроении, широко применяются интегральные акселерометры на основе полупроводниковых или пьезоэлектрических тензорезисторов, имеющие малые размеры, высокую надежность, программируемость, Такие интегральные датчики располагаются как можно ближе к центру салона.
Их чувствительность к ударному ускорению выше, чем у механических, из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50 g.
Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорезистивные или емкостные с погрешностью менее 5% и частотным диапазоном 0...750 Гц.
Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса, их рабочий диапазон ±2 g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0...10 Гц.
В системах стабилизации движения автомобиля использовались акселерометры (рис. 3) для определения поперечных значений ускорения.
Подобные датчики также используются в системах полного привода с подключаемой муфтой в качестве датчиков продольного ускорения автомобиля. Преобразователем является датчик Холла 4, выходное напряжение которого зависит от величины отклонения чувствительного элемента – постоянного магнита 3, подвешенного на пруженной пластине 2 под действием ускорения.
Корпус 1 датчика выполняет роль магнитного демпфера.
Рис. 3. Датчик поперечного (продольного) ускорения автомобиля
Емкостной датчик поперечного ускорения (рис. 4) представляет собой несколько последовательно соединенных конденсаторных пластин.
В корпусе 1 на подвеске 4 установлена подвижная конденсаторная пластина 3 с сейсмической массой (грузом), перемещающаяся при воздействии поперечных ускорений а.
Еще две конденсаторные пластины 2 неподвижны и установлены так, что образуется два последовательно соединенных конденсатора K1 и K2.
С помощью контактных площадок 5 датчик подключается к ЭБУ.
Рис. 4. Ёмкостной датчик поперечного ускорения:
а) устройство;
б) электрическая схема; 1 - корпус; 2 - неподвижная пластина; 3 - подвижная пластина с сейсмической массой; 4 - подвеска; 5 - контактная площадка
При отсутствии ускорения измеренные емкости С1 и С2 обоих конденсаторов равны по величине.
При возникновении поперечного ускорения массивная подвижная пластина под действием силы инерции смещается относительно неподвижных пластин встречно ускорению. При этом изменяются расстояния между пластинами и емкость каждого из конденсаторов, например, в конденсаторе K1 расстояние между пластинами увеличивается, емкость С1 уменьшается; в конденсаторе K22 расстояние между пластинами уменьшается, емкость С2 увеличивается.
Датчик удара, является одним из основных элементов системы охранной сигнализации. Благодаря этому датчику мы, как владельцы автомобилей, можем защитить их от возможных посягательств или краж.
Пример расположение датчиков удара системы SRS
Датчики удара используются не только в системах автосигнализации, но и для охраны частных домов, коммерческих площадок, перевозки ценностей и т. д.
Датчики в делятся на типы в зависимости от их физического принципа действия: механические, пьезоэлектрические и магнитодинамические.
Пьезоэлектрические датчики удара используют способность пьезоэлектрической пластины создавать напряжение изгиба. Этот тип датчиков удара дешев, прост в установке, но имеет один большой недостаток — они очень чувствительны к высокочастотным колебаниям и реагируют на малейшие колебания или боковые шумы, такие как звук от другого сигнала тревоги, гром, шум и другие.
Кроме того, они подвержены тепловым воздействиям, и чувствительность датчика увеличивается или уменьшается в зависимости от температуры снаружи.
МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ УДАРА РАБОТАЮТ ПО ПРИНЦИПУ ВСТРЯХИВАНИЯ МАГНИТА ВОЗЛЕ КАТУШКИ.
Этот тип датчика состоит из контрольного магнита, который установлен на железной пружине. В момент удара по автомобилю колебание пружины срабатывает. Из-за этих колебаний в многоточечной катушке появляется электрический сигнал, и сила удара определяет, насколько сильным будет сигнал.
Преимущество магнитодинамических датчиков удара состоит в том, что магнит качается только при низкочастотных воздействиях на объект или автомобиль. Кроме того, на датчик этого типа не влияют перепады температур.
Среди специалистов существует много споров по поводу установки датчиков удара. Некоторые из них считают, что датчики удара должны быть установлены на железных частях автомобиля и должны быть надежно закреплены, чтобы они не были подвержены внешним вибрациям.
Однако, по мнению других экспертов, установка датчиков на железо является большой ошибкой, так как большая часть амплитуды поглощается железом, а датчик не может правильно считывать данные и часто реагирует на слабые воздействия.
За прошедшие годы было проведено множество экспериментов, чтобы попытаться ответить на вопрос, какое место лучше всего подходит для установки датчика удара, и кажется, что в последние годы было решено что лучшее место — под панелью автомобиля.
Мехенические датчики удара
Электромеханический вид датчика с ленточной пружиной
Помимо электромеханических датчиков на авто используются и электронные виды, основным элементом которых является датчик ускорения (конденсаторный, инерционный, давления). Также в конструкцию электронных элементов входит блок обработки сигнала от датчика ускорения.
Устройство инерционного датчика
Принцип работы конденсаторного датчика ускорения сводится к изменению емкости за счет смещения пластин. А достигается это за счет разделения пластин конденсатора и закрепления их на разных основах, одна из которой является неподвижной, вторая – подвижной. При ударе все та же сила инерции смещает подвижную основу с пластинами относительно неподвижной. В результате емкость конденсаторного датчика изменяется. Это фиксирует блок обработки, сверяет полученные данные с табличными и на основе этого формирует сигнал на управляющий блок.
Конденсаторный датчик ускорения
По такому принципу работают и другие виды датчиков, единственная разница сводится к их устройству. Все они за счет инерции изменяют какие-либо параметры, что является основой для формирования сигнала блоком обработки.
Отметим, что настройка датчиков удара осуществляется исходя из их места установки. Так, боковые элементы обычно более чувствительны, чем фронтальные.
Для обнаружения удара в область двери могут устанавливаться датчики, которые фиксируют изменение атмосферного давления в дверях автомобиля. Они бывают пьезоэлектрическими или емкостными. Первый вид основан на пьезоэлектрическом эффекте, а второй на принципе конденсаторного датчика.
Датчики удара фиксирующие изменение давления
Также учитывается скорость срабатывания каждого типа датчика, поэтому в авто могут одновременно устанавливаться несколько их типов. К примеру, датчики давления отличаются высоким быстродействием, поэтому они нередко устанавливаются по бокам (в дверях, стойках).
Основным достоинством электронных датчиков является определения характера удара – силы, направления. Достигается это за счет заложенных табличных данных в блок обработки.
Исследование, описанное в статье про гироскоп, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое гироскоп, датчик ускорения, акселерометр, гиродатчик, инклинометр, датчик удара, g-сенсор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы