Каким прибором измеряется ускорение: Какой прибор измеряет ускорение тела?

Содержание

Какой прибор измеряет ускорение тела?

Побывав на компьютерной выставке, Вова в качестве сувенира получил электронные часы в форме яблока, способные показывать время с точностью до сотых до … лей секунды. Стоя на эскалаторе, движущемся вниз, он подкинул яблоко вверх, и заметил, что в верхней точке траектории часы показали 11 : 32 : 45 : 81 (см. рисунок). Между тем его учительница Марья Ивановна, поднимавшаяся в это время на соседнем эскалаторе, заметила, что в верхней точке часы показали 11 : 32 : 45 : 74. Определите по этим данным скорость движения эскалаторов u, если известно, что они движутся с одинаковой скоростью и наклонены под углом α = 30◦ к горизонту. Сопротивлением воздуха пренебречь. .

(60 балов) Помогите пж с 3 вопросами по физике 1. Как изменится мощность в данной цепи, если силу тока увеличить в 2 раза? 2. Как изменится удельное с … опротивление проводника, если сопротивление проводника увеличить в 2 раза, а площадь уменьшить в 4 раза? 3.Как изменится сила Кулоновского взаимодействия между зарядами 2 Кл и -6 Кл, если их привести в соприкосновения и передвинуть на тоже расстояние? ( радиусы зарядов одинаковы)

Однородная прямая металлическая балка массой M=100 кг и длиной L=3 м установлена под углом a=60 градусов к горизонту.

2

16Показание вольтметра иамперметра в данной цепи 24Ви 6 A. ВычислитеСопротивление.(Баллов: 1)R=?AVА) 144 ОмB) 72 OMОС) 4 ОмO D) 30 Ом​

43. Первые 10 минут катер двигался со скоростью 20 км/ч, а следующие 10 мин — со скоростью 18 км/ч. Определите среднюю скорость движения катера. 7 А 2 … 2 км/ч Б 21 км/ч В 20 км/ч Г 19 км/ч

Якщо підключити два резистори послідовно до джерела напруги, потужність струму в ділянці кола 4 Вт. Якщо ті самі резистори підключити паралельно, то п … отужність струму 18 Вт. Якою буде потужність струму в кожному резисторі, якщо їх по черзі підключати до того самого джерела струму?

В коробке с гладким дном находятся два груза, нижний из которых прикреплен пружиной к стенке. Коэффициент трения между грузами μ = 2. Определите, с ка … ким постоянным ускорением нужно двигать коробку, для того, чтобы в какой-то момент верхний груз начал проскальзывать относительно нижнего. Масса нижнего груза M, верхнего груза 2M. Пружина и коробка имеют достаточные размеры для того, чтобы в процессе движения бруски не касались торцевых стенок.

​( быстрее, плз )​

Установіть відповідність між фізичною величиною та одиницями її вимірювання у СІ: А кристалізація 1. теплота поглинається, температура … зменшується Б нагрівання 2. теплота поглинається, температура не змінюється В охолодження 3. теплота поглинається, температура не змінюється Г кипіння 4. теплота виділяється, температура не змінюється 5. теплота виділяється, температура знижується

В коробке с гладким дном находятся два груза, нижний из которых прикреплен пружиной к стенке. Коэффициент трения между грузами μ = 2. Определите, с ка … ким постоянным ускорением нужно двигать коробку, для того, чтобы в какой-то момент верхний груз начал проскальзывать относительно нижнего. Масса нижнего груза M, верхнего груза 2M. Пружина и коробка имеют достаточные размеры для того, чтобы в процессе движения бруски не касались торцевых стенок.​( быстрее, плз ).

Бетонная плита толщиной 20 см уменьшает интенсивность пучка гамма-Частиц кобальта в 16,5 раза. Определить коефициент послабления i толщину слоя полови … нного послабления бетона

Измерение ускорения свободного падения на различных высотах при помощи математического маятника

  • Участник: Мингалеев Артур Эдуардович
  • Руководитель: Баскова Мария Аркадьевна
Цель настоящего исследования состояла в получении значения ускорения свободного падения при помощи математического маятника в условиях разного уровня высоты на уровнем моря.

1. Введение

Первым человеком, изучавшим природу падения тел, был греческий ученый Аристотель. Затем Галилео Галилей обобщил и не проанализировал опыт и эксперименты нескольких поколений исследователей. Он предположил, что в среде, свободной от воздуха, все тела будут падать с одинаковой скоростью. Также Галилей предположил, что во время падения скорость тел постоянно увеличивается. Экспериментировать со свободным падением тел продолжил Исаак Ньютон. В его выводах прослеживается мысль, что на Луне и на других планетах сила тяжести, воздействующая на одно и то же тело, будет неодинакова, зависит она напрямую от массы космического тела.

Например, ускорение g на Луне в несколько раз меньше, чем на Земле. Таким образом, зная массу планеты, можно вычислить ускорение свободного падения тела на этой планете.

Цель настоящего исследования состояла в получении значения ускорения свободного падения при помощи математического маятника в условиях разного уровня высоты на уровнем моря. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

  1. Ознакомиться с историей открытия свободного падения тел;
  2. Изучить методы измерения ускорения свободного падения на поверхности Земли;
  3. Провести самостоятельные измерения ускорения свободного падения при помощи математического маятника;
  4. Провести измерения на различных высотах.

Гипотеза исследования: логично предположить, что ускорение свободного падения, полученные в разных экспериментах, должны быть близки к значению 9,8 м/с

2 и отличаться на сотые или тысячные доли на глубине станции метро Кремлевская (–34 м) и на высоте небоскреба «Лазурные небеса» (+120 м). Также результаты измерений и вычислений могут отличаться погрешностью измерений.

Методы изучения: самостоятельная, индивидуальная работа в сочетании с теоретическими исследовательскими, проектными формами работы.

Читая много различной в том числе и технической литературы, я узнал о практическом применении различия ускорения свободного падения в разных точках на поверхности Земли. Я измерял g различными способами, рассчитывал погрешности измерений, опираясь на общепринятое значение g, учился грамотно проводить эксперимент. Выяснил, что свободное падение – движение равноускоренное. Ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Гипотезу о том, что значения ускорения свободного падения должны быть близки к значению 9,8 м/с

2 и отличаться только погрешностью измерений удалось подтвердить разными экспериментами. Наиболее точный результат ускорения свободного падения у меня получился с помощью математического маятника. Поэтому для исследования изменения значения ускорения свободного падения с высотой я выбрал именно этот способ измерения. Погрешность составила не более 10%.

В дальнейшем я хотел бы самостоятельно исследовать зависимость значения ускорения свободного падения от географического положения.

2. Основная часть

2.1. Исторические сведения об открытии свободного падения и методах его измерения

Еще тысячелетия назад люди замечали, что большая часть предметов падает все быстрее и быстрее, а некоторые падают равномерно. Но как именно падают эти предметы – этот вопрос первобытных людей не занимал. Тем не менее нашлись люди, которые по мере возможностей начали исследовать это явление. Сначала они проделывали опыты с двумя предметами. Например, брали два камня, и давали возможность им свободно падать, выпустив их из рук одновременно. Затем снова бросали два камня, но уже в стороны по горизонтали. Потом бросали один камень в сторону, и в тот же момент выпускали из рук второй, но так, чтобы он просто падал по вертикали. Люди извлекли из таких опытов много сведений о природе.

Из опытов с падающими телами люди установили, что маленький и большой камни, выпущенные из рук одновременно, падают с одинаковой скоростью. То же самое можно сказать о кусках свинца, золота, железа, стекла, и т.д. самых разных размеров. Из подобных опытов выводиться простое общее правило: свободное падение всех тел происходит одинаково независимо от размера и материала, из которого тела сделаны. Между наблюдением за причинной связью явлений и тщательно выполненными экспериментами, вероятно, долго существовал разрыв. Две тысячи лет назад некоторые древние ученые, по-видимому, проводили вполне разумные опыты с падающими телами. Великий греческий философ и ученый Аристотель, по-видимому придерживался распространенного представления о том, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Аристотель и его последователи стремились объяснить, почему происходят те или иные явления, но не всегда заботились о том, чтобы пронаблюдать, что происходит и как происходит. Он говорил, что тела стремятся найти свое естественное место на поверхности Земли.
В XIV столетии группа философов из Парижа восстала против теории Аристотеля и предложила значительно более разумную схему, которая передавалась из поколения в поколение и распространилась до Италии, оказав двумя столетиями позднее влияние на Галилея. Парижские философы говорили об ускоренном движении и даже о постоянном ускорении, объясняя эти понятия архаичным языком. Великий итальянский ученый Галилео Галилей обобщил имеющиеся сведения и представления и критически их проанализировал, а затем описал и начал распространять то, что считал верным. Галилей понимал, что последователей Аристотеля сбивало с толку сопротивление воздуха. Он указал, что плотные предметы, для которых сопротивление воздуха несущественно, падают почти с одинаковой скоростью.

Предположив, что произошло бы в случае свободного падения тел в вакууме, Галилей вывел следующие законы падения тел для идеального случая: все тела при падении движутся одинаково; начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью; движение происходит с «постоянным ускорением»; темп увеличения скорости тела не меняется, т.

е. за каждую последующую секунду скорость тела возрастает на одну и ту же величину. Существует легенда, будто Галилей проделал большой демонстрационный опыт, бросая легкие и тяжелые предметы с вершины Пизанской падающей башни (одни говорят, что он бросал стальные и деревянные шары, а другие утверждают, будто это были железные шары весом 0,5 и 50 кг). Описаний такого публичного опыта нет, и Галилей, несомненно, не стал таким способом демонстрировать свое правило. Галилей знал, что деревянный шар намного отстал бы при падении от железного, но считал, что для демонстрации различной скорости падения двух неодинаковых железных шаров потребовалась бы более высокая башня. Итак, мелкие камни слегка отстают в падении от крупных, и разница становится тем более заметной, чем большее расстояние пролетают камни. И дело тут не просто в размере тел: деревянный и стальной шары одинакового размера падают не строго одинаково. Галилей знал, что простому описанию падения тел мешает сопротивление воздуха. Но он мог лишь уменьшить его и не мог устранить его полностью.
Поэтому ему пришлось вести доказательство, переходя от реальных наблюдений к постоянно уменьшающимся сопротивлением воздуха к идеальному случаю, когда сопротивление воздуха отсутствует. Позже, оглядываясь назад, он смог объяснить различия в реальных экспериментах, приписав их сопротивлению воздуха.

Вскоре после Галилея были созданы воздушные насосы, которые позволили произвести эксперименты со свободным падением в вакууме. С этой целью Ньютон выкачал воздух из длинной стеклянной трубки и бросил сверху одновременно птичье перо и золотую монету. Даже столь сильно различающиеся по своей плотности тела падали с одинаковой скоростью. Именно этот опыт дал решающую проверку предположения Галилея. Опыты и рассуждения Галилея привели к простому правилу, точно справедливому в случае свободного падения тел в вакууме. Это правило в случае свободного падения тел в воздухе выполняется с ограниченной точностью. Поэтому верить в него, как в идеальный случай нельзя. Для полного изучения свободного падения тел необходимо знать, какие при падении происходят изменения температуры, давления, и др. , то есть исследовать и другие стороны этого явления. Так Галилей установил признак равноускоренного движения:

S1 : S2 : S3 : … = 1 : 2 : 3 : … (при V0 = 0)

Таким образом, можно предположить, что свободное падение есть равноускоренное движение. Так как для равноускоренного движения перемещение рассчитывается по формуле, то если взять три некоторые точки 1,2,3 через которые проходит тело при падении и записать: (ускорение при свободном падении для всех тел одинаково), получится, что отношение перемещений при равноускоренном движении равно:

S1 : S2 : S3 = t12 : t22 : t32 (2)

Остается еще добавить небольшой комментарий относительно экспериментов со свободным падением тел Исаака Ньютона. В его выводах прослеживается мысль, что на Луне и на других планетах сила тяжести, воздействующая на одно и то же тело, будет неодинакова, зависит она напрямую от массы космического тела. Например, ускорение g на Луне в несколько раз меньше, чем на Земле. Таким образом, зная массу планеты, можно вычислить ускорение свободного падения тела на этой планете.

2.2. Практическая значимость нахождения значения ускорения свободного падения

Я много читаю и, как следствие склонен фантазировать. Для меня практическая значимость исследования заключается в возможности прогнозирования форм жизни на небесных телах, с которыми человечество столкнется при неизбежном освоении космоса. Ведь от значения g на другой планете зависит не только сила тяжести. Люди заранее смогут узнать, какие существа встретят их на той или иной планете, какими физическими характеристиками они будут обладать.

2.3. Методы измерения ускорения свободного падения

На самом деле методов по измерению ускорения свободного падения достаточно много. Приведу только те, которые сам испробовал.

1) Измерение ускорения свободного падения с помощью наклонной плоскости

Понадобится следующее оборудование:деревянный брусок, трибометр, штатив с муфтой и лапкой, электронный секундомер, динамометр, измерительная лента, линейка. Рассматривая движение бруска вниз по наклонной плоскости, можно записать второй закон Ньютона в векторном виде:


Записывая второй закон Ньютона в проекциях на оси координат:

Ох: – Fтр+ mgsinα = ma

Oy: N – mgcosα = 0

и учитывая, что N = mgcosα; Fтр = μN; можно решить данную систему уравнений и получить ускорение свободного падения:

g a
sinα – μcosα

При этом ускорение a можно вычислить из формулы

так как начальная скорость бруска при скольжении по наклонной плоскости равна 0:

Видим, что для этого нужно измерить длину наклонной плоскости и время скольжения по ней бруска.

Для вычисления sinα и cosα нужно знать длину S и высоту h наклонной плоскости:


Для определения коэффициента трения скольжения положим трибометр на горизонтальную поверхность и с помощью динамометра равномерно протащим по нему брусок. В этом случае на брусок будут действовать 4 силы: сила тяжести, сила упругости пружины динамометра, сила трения, сила реакции опоры.


При равномерном движении бруска эти силы будут попарно равны: Fтр = Fупр, Fтяж = N, т. е. Fупр = μFтяж, тогда коэффициент трения равен

Для меня в этом методе оказалось слишком много математических действий, с которыми в курсе математики я еще не знаком. Поэтому даже не буду приводить результаты проделанных измерений и вычислений.

2) Определение
g благодаря давлению жидкости

Как известно давление столба жидкости обусловлено следующими факторами: плотность жидкости, непосредственно высота столба жидкости и само значение ускорения свободного падения на данной планете.

Если преобразовать формулу P = ρgh, получится формула нахождения g. Эта формула выглядит так = P / ρh, где Р – давление в жидкости на глубине h, которое можно узнать с помощью манометра, ρ – плотность воды равное 1000 кг/м3.

При подобных измерениях нужно учитывать погрешность измерительного прибора, манометра. Достаточно точного мне найти не удалось, поэтому для своих исследований я выбрал другой метод.

3) Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маятника

Необходимое оборудование: секундомер, штатив с муфтой и лапкой, шарик на нерастяжимой нити, измерительная лента. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях (до 10°) от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника


С другой стороны период колебаний маятника можно расчитать из определения, ведь период – это время одного полного колебания. Тогда период

и ускорения свободного падения может быть вычислено по формуле

Подготовка к проведению работы

В работе используется простейший маятник – шарик на нити. При малых размерах по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника


Тогда период

и ускорения свободного падения может быть вычислено по формуле

Результаты измерений и вычислений представлены в разделе 2.5

2.4. Теоретические расчеты по определению ускорения свободного падения различных высотах

Теоретически значение ускорения свободного падения на поверхности планеты Земля можно приблизительно подсчитать, представив планету точечной массой M, и вычислив гравитационное ускорение на расстоянии её радиуса R:

где G — гравитационная постоянная (G = 6,6743 · 10–11 (H ·м2)/кг2).

При вычислениях я применял такие значения:

R = 6370 · 103 м – радиус Земли на широте Казани;

M = 5,9722 · 1024 кг – масса Земли.

Таким образом теоретическое значение gт = 9,823386 м/с2.

Согласно формуле

естественно предположить, что ускорение свободного падения на разных высотах будет немного отличаться: на глубине будет больше, а на высоте меньше вычисленного выше.

Возможно эту небольшую разницу можно объяснить погрешностью измерений. Проверим.

Результаты вычислений значения ускорения свободного падения на различных высотах представлены в таблице:

В классе

На станции метро Кремлевская

На 36-м этаже небоскреба

R = 6370 км,

h = 0

R = 6370 км,

h = –16 м

R = 6370 км,

h = +120 м

9,8234

9,8231

9,8227

2.

5. Экспериментальное определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника

Как уже говорилось ранее, оборудование для проведения измерений требовалось весьма не замысловатое: секундомер, штатив с муфтой, шарик на нерастяжимой нити, измерительная лента. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях (до 10°) от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника


С другой стороны период колебаний маятника можно расчитать из определения, ведь период – это время одного полного колебания. Тогда период

и ускорения свободного падения может быть вычислено по формуле

Ход работы

Для начала я проделал все необходимые измерения в классе, в кабинете физики Лицея № 110. Кабинет находится на втором этаже. Учитывая высоту потолков (около 3 м), логично предположить, что вычисленные значения g должны быть близки к gт.

  1. Я установил на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепил с помощью муфты кольцо и подвесил к нему шарик на нити. Шарик должен висеть и свободно совершать колебания.
  2. Нить я взял метровой длины для удобства вычислений.
  3. Отклонив шарик на небольшое расстояние (5-8 см), я возбудил колебания маятника.
  4. Измерил в пяти экспериментах время t 20 колебаний маятника и вычислил tср:
tср =  t1 + t2 + t3 + t4 + t5
5
  1. Затем вычислил среднюю абсолютную погрешность измерения времени:
∆tср =  t1tср│ + │t2tср│+ │t3tср│ + │t4tср│ + │t5tср
5
  1. Вычислил ускорение свободного падения по формуле:
Таблица результатов измерений в классе
n

N

t, c

tср, с

Δtср, с

g, м/с2

1

20

40,26

39,94

0,36

9,88924

2

20

39,20

3

20

40,30

4

20

40,18

5

20

39,78

  1. Я определил относительную погрешность измерения времени εt.
ε =  t  =  tи + ∆tотсчета  =  1 с + 1 с  =  2 c  =  2 с  = 0,05 = 5%
t t t tсредн 39,94 с
  1. Определил относительную погрешность измерения длины маятника:
εl =  l  =  lи + ∆lотсчета  =  половина цены деления + цена деления  = 
l l длина маятника

 

0,0005 м + 0,001 м  =  0,0015 м  =  0,0015 м  = 0,0015 = 0,15%
l l 1 м
  1. Вычислил относительную погрешность измерения g:

    εg = εl+ 2εt = 0,05 + 2 · 0,0015 = 0,053 = 5,3%

  2.  Определил абсолютную погрешность вычисления ускорения свободного падения:

    g = εggсредняя = 0,053 · 9,73971 м/с2 = 0,5162 м/с2 ≈ 0,520

Итог моих измерений и вычислений:

9,37 ≤ g ≤ 10,41

Такие действия я проделал в казанском метрополитене, на станции метро Кремлевская и на 36-м этаже единственного в Казани небоскреба «Лазурные небеса».

Таблица результатов измерений на станции метро Кремлевская

n

N

t, c

tср, с

Δtср, с

g, м/с2

1

20

31,80

31,71

0,042

9,96232

2

20

31,72

3

20

31,62

4

20

31,69

5

20

31,71

При измерениях в метро пришлось использовать длину нити 63,5 см.

Относительная погрешность измерения времени εt = 0,063 = 6,3%.

Относительная погрешность измерения длины маятника: εl = 0,24%

Относительная погрешность измерения g: εg = 6,78%

Абсолютную погрешность вычисления ускорения свободного падения составила: 0,63 м/с2.

Итог моих измерений и вычислений:

9,33 ≤ g ≤ 10,59

Таблица результатов измерений на 36-м этаже небоскреба «Лазурные небеса»
n

N

t, c

tср, с

Δtср, с

g, м/с2

1

20

28,59

28,57

0,10

9,85664

2

20

28,56

3

20

28,81

4

20

28,52

5

20

28,39

Здесь при измерениях пришлось длину нити еще сократить до 51 см.

Относительная погрешность измерения времени εt = 7%.

Относительная погрешность измерения длины маятника: εl = 0,29%

Относительная погрешность измерения g: εg = 7,58%

Абсолютную погрешность вычисления ускорения свободного падения составила: 0,75 м/с2.

Итог моих измерений и вычислений:

9,11 ≤ g ≤ 10,61

Таблица сравнения теоретически полученных значений g (м/с2) и полученных экспериментально

 

В классе

На станции метро Кремлевская

На 36-м этаже небоскреба

R = 6370 км,

h = 0

R = 6370 км,

h = –16 м

R = 6370 км,

h = +120 м

Теория

9,8234

9,8231

9,8227

Эксперимент

9,8892

9,9623

9,8566

3. Заключение

При подготовке к защите данной работы и в результате теоретического исследования, чтения разных книг и статей я узнал многое об ускорении свободного падения. Как уже упоминал, для меня практическая значимость исследования заключается в возможности прогнозирования форм жизни на небесных телах, с которыми человечество столкнется при неизбежном освоении космоса. Ведь люди заранее смогут узнать, какие существа встретят их на той или иной планете, какими физическими характеристиками они будут обладать.

Также я узнал, что расчеты различия ускорения свободного падения в разных точках на поверхности Земли могут указывать на гравитационные аномалии.

Самое главное, я научился измерять g, различными способами, рассчитывать погрешности измерений, грамотно проводить эксперимент.

Считаю цель исследования достигнута. Средние значение ускорения свободного падения на различных высотах отличаются в зависимости от высоты над уровнем моря: при увеличении высоты значение g уменьшается, при углублении в недра Земли – увеличивается. Экспериментально полученные значения хорошо это показывают.

Погрешность измерений достаточно велика, но не превышает 10%. Уменьшить погрешность возможно путем проведения большего числа измерений: ни 5, а 20; большего числа колебаний: не 20, а 100. Также при расчетах можно учесть, что Казань находится примерно на уровне 250-300 м над уровнем моря.

В дальнейшем хотелось бы усовершенствовать экспериментальные установки, чтобы измерять ускорение свободного падения с большей точностью.

Планирую самостоятельно исследовать значения ускорения свободного падения в различных уголках земного шара.


Акселерометр: что это такое и как им определять наклон тела

Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, этот прибор можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом пружинами. Смещение тела относительно центра оси можно измерить с помощью механической стрелки, как показано на рисунке.

В состоянии покоя тело находится на равном удалении от стенок прибора и стрелка указывает на середину шкалы. Если весь прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по оси влево до момента, когда сила растянутой пружины уравновесит внешнюю силу. В этот момент, стрелка повернется и укажет на некоторое значение на шкале. Чем больше внешняя сила, тем дальше смещается груз, тем большее значение показывает стрелка. Когда сила перестанет действовать на тело, груз вернется на прежнее положение и прибор покажет на нулевое значение шкалы.

1. Электронный МЭМС-акселерометр

Разумеется, внешний вид современного акселерометра отличается от этой простой модели с пружинками, но не сильно. Как и прежде, для измерения ускорения нам требуется какое-то массивное тело, которое будет скользить по направляющей и удерживаться в нейтральном положении пружинками. При этом, всё это должно быть очень миниатюрным, чтобы поместиться в тот же смартфон.

На помощь приходит технология МЭМС (микроэлектромеханические системы). С помощью МЭМС удаётся выращивать механический акселерометр на кремниевой подложке таким же методом, которым создаются и обычные микросхемы.

Так выглядит МЭМС акселерометр на снимке, полученном при помощи микроскопа. Схема работы такого прибора представлена ниже.

Чтобы измерить смещение массивного тела вдоль оси прибора здесь применяется дифференциальный конденсатор. В состоянии покоя, расстояния между центральным электродом и двумя обкладками конденсатора (выделены оранжевым цветом) равны. При воздействии силы эти расстояния меняются, что в дальнейшем фиксируется специальной аналоговой измерительной системой.

Современные акселерометры имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу. Это позволяет измерять ускорение тела в любом направлении.

2. Измерение углов наклона с помощью акселерометра

Все современные смартфоны умеют определять угол своего наклона относительно горизонта. Эта функция используется для автоматического поворота экрана, а также в различных играх, где управление происходит при помощи наклона. И всё это благодаря акселерометру. Но как устройство, определяющее ускорение, может помочь вычислить угол наклона?

Дело в том, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует сила гравитации. Эта сила придаёт телам ускорение когда они падают на землю. Повернем акселерометр так, чтобы его ось оказалась в вертикальном положении. В таких условиях груз сместится вниз, растянув при этом верхнюю пружину и сжав нижнюю. В этот момент акселерометр зафиксирует величину ускорения свободного падения — 9.8 м/с².

Попробуем использовать этот факт для вычисления угла наклона акселерометра относительно горизонта. Изобразим на схеме тело, на котором закреплен трёхосевой акселерометр. Обозначим эти три оси как: Xт, Yт и Zт.

Затем повернём тело на угол a вокруг оси Xт относительно системы координат мира X, Y и Z. Предполагается, что ось мира Z направлена вдоль вектора силы гравитации (вверх), а оси X и Y вдоль горизонта. Мы смотрим на всю эту систему сбоку, так что оси мира — X и тела — Xт смотрят на нас, и мы их не видим.

В таком положении акселерометр, находящийся внутри тела зафиксирует проекции силы гравитации на все три оси: Gxт,Gyт,Gzт. При этом проекция Gxт на ось Xт будет равна нулю, так как эта ось расположена вдоль горизонта. Проекции Gyт (зеленый отрезок) и Gzт можно выразить с помощью теоремы о прямоугольном треугольнике:

Gyт = G * cos(b) [1]
Gzт = G * sin(b) [2]

Таким образом, зная G и одну из проекций Gyт или Gzт можно вычислить угол b отклонения акселерометра от вектора гравитации Z (от вертикальной оси):

cos(b) = Gyт/G [3]
b = arccos(Gyт/G) [4]

Делая такие вычисления, важно учитывать, что G и Gyт должны измеряться в одинаковых единицах. Например, если мы преобразуем показания акселерометра к единицам гравитации (другими словами G = 1 — земная гравитация), то выражение для угла b примет вид:

b = arccos(Gyт/1) = arccos(Gyт) [5]

И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:

a = 90 - b = 90 - arccos(Gyт) [6]

Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.

К размышлению

Итак, мы выяснили, что одного лишь акселерометра вполне достаточно, чтобы вычислить угол наклона тела относительно горизонта. В следующем уроке мы рассмотрим конкретный пример работы с датчиком MPU6050 на Ардуино.

Однако, следует учитывать, что вычисление углов с помощью акселерометра возможно только тогда, когда прибор находится в состоянии покоя. Ведь если на прибор во время измерения подействует любая другая сила, акселерометр непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчеты.

Частично снять это вредное воздействие внешних сил можно с помощью фильтра низких частот, о котором мы уже рассказывали. Можно пойти вообще по другому пути — использовать не акселерометр, а гироскоп. С помощью него тоже можно вычислять углы наклона. А самый правильный способ — объединить вместе показания разных датчиков, о чем можно узнать в статье про комплементарный фильтр.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Тест по физике Основы кинематики (9 класс)

Сложность: знаток.Последний раз тест пройден 15 часов назад.

  1. Вопрос 1 из 10

    Каким прибором измеряют ускорение?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 51% ответили правильно
    • 51% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Следующий вопросОтветить
  2. Вопрос 2 из 10

    Что называют равномерным прямолинейным движением?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 72% ответили правильно
    • 72% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  3. Вопрос 3 из 10

    Какая величина не входит в кинематический закон равномерного прямолинейного движения?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 59% ответили правильно
    • 59% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  4. Вопрос 4 из 10

    Что называют криволинейным движением?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 74% ответили правильно
    • 74% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  5. Вопрос 5 из 10

    В каких единицах измеряется угол поворота?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 58% ответили правильно
    • 58% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  6. Вопрос 6 из 10

    Какая величина не характеризует равномерное прямолинейное движение?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 67% ответили правильно
    • 67% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  7. Вопрос 7 из 10

    К какому графику относится кинематический закон равнопеременного движения?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 65% участников
    • 35% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  8. Вопрос 8 из 10

    Как направленно центростремительное ускорение?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 57% участников
    • 43% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  9. Вопрос 9 из 10

    Какая величина не относится к вращательному движению?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 55% участников
    • 45% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  10. Вопрос 10 из 10

    Чему равен период одного оборота минутной стрелки?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 64% участников
    • 36% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

ТОП-5 тестовкоторые проходят вместе с этим

Для любого школьника, которому хотелось бы знать физику на высокую оценку, окажется полезен тест «Основы кинематики» (9 класс) с ответами. Помощью этой разработки можно не только вспомнить все, что изучалось в ходе уроков, но и узнать, насколько хорошо эти знания усвоены. Ведь при выполнении заданий теста ученику придется вспомнить не только теоретический материал («криволинейное движение», «прямолинейное равномерное движение», «центростремительное ускорение» и прочее), но и решить несколько простых задач.

Тест по физике «Основы кинематики» пригодится и тем школьникам, которые готовятся к сдаче ОГЭ или ЕГЭ по физике.

Рейтинг теста

Средняя оценка: 3.2. Всего получено оценок: 260.

А какую оценку получите вы? Чтобы узнать — пройдите тест.

Подробности о инерционном датчике модели Polar S625X.

Мониторы Polar широко используются спортсменами самых разных видов спорта и уровней подготовки. С появлением модели Polar S625X возможности контроля за тренировками и соревнованиями заметно расширились. Кроме привычных функций мониторов Polar, появились совершенно новые функции измерения скорости бега и дистанции. Эта модель разработана для бегунов, но совместима со всеми велосипедными датчиками Polar и также имеет альтиметр. Также данная модель может передавать данные в мобильный телефон Nokia 5140, на котором можно эти данные просматривать и отсылать, например, тренеру.

Специальные функции для бегунов:

  • Скорость и дистанция, скорость выводится как темп или в км/час.
  • Задание целевого темпа.
  • Показ разницы текущего темпа и заданного целевого.
  • Сигнал отклонения от заданного темпа
  • И еще ряд связанных с возможностью измерения скорости функций.

Для измерения скорости инженеры Polar применили инерционный датчик, крепящийся на ноге (на обуви).

Датчик измеряет ускорение, которое потом по специальным алгоритмам пересчитывается в скорость бега.

Датчик водонепроницаем до 2 метров, включается одной кнопкой и, даже без дополнительной калибровки, обеспечивает высокую точность измерения. На мониторе данные отображаются, например, в таком виде:

При просмотре на компьютере в результате можно получить график такого вида:

Некоторые подробности примененной технологии измерения скорости бега и дистанции:

Вопрос: Почему в S625X не используется GPS технология?
Ответ: Мы тщательно обдумали обе технологии, GPS и инерционную, перед тем, как остановиться на инерционной. У GPS есть несколько положительных моментов, но мы выбрали технологию, лучше подходящую по всей совокупности параметров для измерений во время бега везде и в любых условиях.
Существующие GPS приемники слишком тяжелые и слишком прожорливы для батарей. Это мало подходит для бегунов. Существующие GPS просто непрактичны для часто бегающих, потому что нужно постоянно перезаряжать или заменять батареи, и они создают дискомфорт из-за своих размеров и веса. В обычных беговых условиях GPS оказывается не точнее, чем технология инерционных сенсоров. Поэтому мы остановились на инерционной технологии, решив, что это лучшее решение для бегунов, которым нужно точное и надежное измерение скорости и дистанции во всех условиях, внутри помещений и на открытом воздухе, в плотной городской застройке с высотными зданиями, в густом лесу, и на очень извилистой дороге с крутыми поворотами.

Вопрос: О технологии GPS известно многим. Что можно сказать об инерционной технологии, которую использует Polar?
Ответ: Polar использует самые современные инерционные технологии, которые используются для навигации и управления самолетами, в промышленных роботах и в автомобилях, например, в системах активной подвески или подушках безопасности, и во многих других случаях. Инерционные сенсоры измеряют ускорение датчика Polar S1 чаще, чем 1000 раз в секунду, и эти данные обрабатываются с использованием специальных алгоритмов, чтобы рассчитать углы ног и скорость походки или бега и пройденную дистанцию. Это не шагомер, это именно высокотехнологичный датчик скорости бега.

Вопрос: GPS обеспечивает измерение скорости и дистанции во время бега, езды на велосипеде и лыжах. А Polar S625X?
Ответ: Polar S625X был создан в основном для бегунов и триатлетов. Поэтому мы оптимизировали функции для бега и добавили велосипедные. S625X полностью совместим со всеми велосипедными датчиками Polar.

Вопрос: Некоторые приборы GPS обеспечивают указание направления для навигации. Почему Polar
предпочел отказаться от этого в S625X?
Ответ: S625X разрабатывался с учетом того, что, по статистике, 80% бегунов обычно бегают по одним и тем же 3-5 привычным трассам. S625X помогает людям отслеживать скорость и дистанцию на этих трассах, а также позволяет им бегать по новым трассам, не нуждаясь во внешней километровой разметке.
Функции навигации и направления предназначены в основном для приборов, используемых на природе и в путешествиях, а S625X предназначен для бегунов.

Вопрос: Насколько тяжел датчик S1?
Ответ: Вы его не почувствуете, когда закрепите его на обуви. На практике, вам очень трудно будет определить, на какой ноге он закреплен, поднимая то одну, то другую ногу. Датчик сделан водонепроницаемым и стойким к ударам. Батарейка в нем легко меняется. При этом он не снижает удобство обуви и не уменьшает скорость бега.

Вопрос: Насколько точен S625X?
Ответ: В общем, точность измерения S625X не хуже 97% даже без дополнительной калибровки. С калибровкой точность повышается до 99%. Эта точность не хуже или даже лучше той, которую обеспечивает GPS в таких же условиях. Кстати, такая степень точности намного превосходит точность беговых тредмиллов. Вы когда-нибудь слышали, чтобы кто-то из бегунов жаловался, что точность тредмилла недостаточна для их тренировочных целей?

Вопрос: Нужно ли заново калибровать датчик после смены батарейки?
Ответ: Если вы откалибровали датчик, то эти данные записываются в постоянную память монитора S625X, и остаются там до тех пор, пока вы не решите изменить их. Откалибровать достаточно всего один раз.

Вопрос: Какова степень водонепроницаемости датчика?
Ответ: Водонепроницаемость и надежность – ключевые элементы дизайна датчика Polar S1. Он выдерживает погружение в воду и мокрую дорогу. Однако он не предназначен для плавания или бега в воде, поэтому, пожалуйста, не плавайте с ним.

Вопрос: На сколько хватает батарейки в датчике?
Ответ: В среднем на 40 часов.

Вопрос: Как узнать, что пора менять батарейку?
Ответ: Когда свет диода на датчике вместо зеленого становится красным, вы должны заменить батарейку. Также нужно ее заменить, если датчик не включается или, если монитор постоянно показывает скорость бега равную нулю.

Вопрос: Можно ли заменять батарейку датчика самостоятельно? Какой тип батарейки используется?
Ответ: Датчик сделан так, что пользователь может самостоятельно заменить батарейку без помощи какого-либо инструмента. Используются батарейки типа AAA.

Функциональные особенности мониторов Polar S625X.

  • Высокая точность измерения пульса, отображения пульса в уд/мин, в % от ЧССмакс.
  • Функции часов, секундомера, будильника, календаря, подсветка.
  • Определение расстояния и скорости бега.
  • Запись параметров тренировки в память монитора, емкость памяти 44 часа 42 мин при интервале записи 5 сек.
  • Ручная и автоматическая фиксация промежуточных результатов.
  • Программирование тренировок различного профиля.
  • функция OwnCal — расчет расхода калорий.
  • функция OwnIndex — определение уровня подготовки с помощью фитнес-теста.
  • функция OwnOptimizer — тест адаптации к нагрузкам, новым условиям.
  • Альтиметр — определение высоты до 7590м (с относительной точностью 1 м), запись профиля трассы, подсчет суммарного набора высоты.
  • Совместимость с велодатчиками Polar/
  • функция OwnCode — защита от помех соседних датчиков, в комплекте поставляется передатчик Polar WearLink.
  • Передача данных через IR — порт на компьютер, КПК, телефон Nokia 5140i.
  • Программное обеспечение Polar Precision Perfomance.
  • Водонепроницаемость.

Материалы предоставлены фирмой МФитнес

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Группа физиков из Италии и Нидерландов представила новые результаты измерения гравитационной константы, впервые сделанные при помощи специальных устройств — атомных интерферометров. Значение, полученное учеными для постоянной: 6.67191(99)x10-11 (метр)3 (килограмм)-1 (секунда)-2 с точностью 0,015 процентов. Такие измерения являются важными не только для метрологии и систем геостационарного позиционирования, но и для исследований космоса и проверки моделей, основанных на общей теории относительности и современной космологии. «Лента.ру» решила выяснить, как проводилось измерение гравитационной постоянной, и к каким выводам пришли ученые в результате своих измерений.

Применение атомных интерферометров является относительно новым, но перспективным направлением в измерении гравитационных эффектов. Так, гироскоп, в работе которого используется эффект Саньяка, применялся для измерения ускорения, вызванного взаимодействием гравитирующих тел, в экспериментах по проверке закона всемирного тяготения и в геофизике. Ученые впервые использовали атомный интерферометр для прецизионного измерения значения гравитационной постоянной.

Относительная слабость гравитационного взаимодействия делает измерение его постоянной достаточно трудной задачей. В настоящее время в мире проведено около 300 измерений постоянной тяготения, начиная с классических опытов Кавендиша. Значение гравитационной постоянной исследователи определяли из закона всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя массивными точками пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В качестве коэффициента пропорциональности выступает гравитационная постоянная, которая носит универсальный характер, а ее конкретное значение зависит от выбора системы единиц измерения.

Измерения гравитационной постоянной за последние 32 года

Изображение: Nature

Сплошные круги показывают опыты с использованием крутильных весов, квадраты — опыты с применением маятника, верхний квадрат отвечает последнему эксперименту.

Гравитационная константа входит в число шести фундаментальных физических постоянных, значение которых определяется экспериментом и, как считается, значительно не меняется (в пространстве и времени). Эти постоянные фигурируют во всех основных законах и уравнениях физики, через них выражаются многие другие производные постоянные. Кроме постоянной тяготения, к таким константам относятся значения скорости света в вакууме и элементарного электрического заряда, а также постоянные Планка, Больцмана и Дирака.

В классической физике интерференция света — явление, в котором проявляются волновые свойства света. С другой стороны, в квантовой механике имеет место корпускулярно-волновой дуализм — свет проявляет одновременно и волновые, и корпускулярные свойства (например, в явлении фотоэффекта). В квантовой механике интерференция волновой функции (пси-функции) возникает как проявление принципа квантовой суперпозиции — первоначальное квантовое состояние разделяется на две части, которые потом складываются (интерферируют), образуя так называемую интерференционную картину. Впрочем, то, что происходит между начальным состоянием частицы (или волновой функции) и возникновением интерференционной картины, остается загадкой.

Установка устроена следующим образом. В вакуумной камере в нижней части аппарата магнитооптическая ловушка собирает 109 атомов рубидия. После включения магнитного поля атомы поднимаются вверх по вертикали и оказываются между двумя группами вольфрамовых цилиндров. Всего в эксперименте использовались 24 цилиндра, изготовленных из сплава вольфрама, общей массой 516 килограмм. Каждый такой цилиндр имел имел диаметр 99 миллиметров и высоту около 150 миллиметров. Эти цилиндры помещались на две титановые платформы и располагались вокруг вертикальной оси с гексагональной симметрией.

Далее, чтобы исключить влияние тепловых флуктуаций, атомы охлаждают до четырех милликельвинов. В установке используются две атомные группировки, которые поднимаются на высоту около 60 и 90 сантиметров, так что расстояние по вертикали между ними составляет 328 миллиметров. Атомы в группировках находятся в специальных возбужденных состояниях. Те из них, которые находятся в состояниях, отличных от необходимых для эксперимента, удаляются.

Ученые измеряли изменения расположения верхней и нижней атомных группировок для двух положений системы цилиндров: F и C. В первом случае два набора цилиндров находились у края оснований установки, во втором — у центра. Перемещая цилиндры между положениями F и C, ученые с помощью атомной интерферометрии определяли изменения в значении величины напряженности гравитационного поля (ускорении свободного падения).

Принципиальная схема установки

Изображение: Nature

Частоты импульсов лазера настроены на резонансную частоту сверхтонкого перехода между двумя уровнями энергий атомов. Переход между двумя такими уровнями в атомах, спровоцированный излучением от лазера, вызывает изменение их внутренних энергий и импульсов и сопровождается излучением фотонов. Интерферометр разделяет это излучение на две пространственно разнесенные когерентные части, которые, проходя разные оптические пути, на экране при наложении друг на друга создают интерференционную картину чередующихся максимумом и минимумов. Расположение минимумов и максимумов на картине зависит от разности фаз падающих пучков света.

Между тем в однородном гравитационном поле атомы при перемещении испытывают фазовый сдвиг. Таким образом, по изменению этих сдвигов и перемещений ученые могут определить локальные изменения в значении ускорения свободного падения, а следовательно, и гравитационной постоянной.

На точность работы интерферометра, кроме внешних факторов, связанных с антропогенной вибрацией, сейсмическими шумами и вращением Земли (которое сказывается на расположении атомов в поперечном направлении), оказывали влияние и факторы, связанные с конструктивными особенностями установки. Прежде всего, это возможные погрешности в определении точного положения массивных источников (по вертикали и горизонтали) и неоднородности их плотности.

Ученые считают, что их работа позволит провести систематический анализ возможных ошибок, встречающихся в экспериментах по определению гравитационной постоянной. Кроме того, проведенный эксперимент открывает новые возможности в измерении гравитационной постоянной с помощью ультрахолодных атомов, заключенных в оптические ловушки. Как уже упоминалось ранее, точное определение значения гравитационной постоянной необходимо для геодезической гравиметрии (измерения силы тяжести в различных областях и на различных высотах Земли), а также для фундаментальных наук: современных космологии, теории гравитации и физики частиц.

Виброускорение, виброскорость и виброперемещение. В чём измеряют вибрацию?

В чём измеряют вибрацию?

Для количественного описания вибрации вращающегося оборудования и в диагностических целях используют виброускорение, виброскорость и виброперемещение.

Виброускорение

Виброускорение – это значение вибрации, прямо связанное с силой, вызвавшей вибрацию. Виброускорение характеризует то силовое динамическое взаимодействие элементов внутри агрегата, которое вызвало данную вибрацию. Обычно отображается амплитудой (Пик, Peak) — максимальное по модулю значение ускорения в сигнале. Применение виброускорения теоретически идеально, т. к. пъезодатчик (акселерометр) измеряет именно ускорение и его не нужно специально преобразовывать. Недостатком является то, что для него нет практических разработок по нормам и пороговым уровням, нет общепринятого физического и спектрального толкования особенностей проявления виброускорения. Успешно применяется при диагностике дефектов, имеющих ударную природу — в подшипниках качения, редукторах.

Виброускорение измеряется в:

  • метрах на секунду в квадрате [м/сек2]
  • G, где 1G = 9,81 м/сек2
  • децибелах, должен быть указан уровень 0 дБ.((AdB-120)/20)

    Например, 140 дБ = уровень 10 м/с2 = 1 G

    Виброскорость

    Виброскорость – это скорость перемещения контролируемой точки оборудования во время её прецессии вдоль оси измерения.

    В практике измеряется обычно не максимальное значение виброскорости, а ее среднеквадратичное значение, СКЗ (RMS). Физическая суть параметра СКЗ виброскорости состоит в равенстве энергетического воздействия на опоры машины реального вибросигнала и фиктивного постоянного, численно равного по величине СКЗ. Использование значения СКЗ обусловлено ещё и тем, что раньше измерения вибрации велись стрелочными приборами, а они все по принципу действия являются интегрирующими, и показывают именно среднеквадратичное значение переменного сигнала.

    Из двух широко применяемых на практике представлений вибросигналов (виброскорость и виброперемещение) предпочтительнее использование виброскорости, так как это параметр, сразу учитывающий и перемещение контролируемой точки и энергетическое воздействие на опоры от сил, вызвавших вибрацию. Информативность виброперемещения может сравниться с информативностью виброскорости только при условии, когда дополнительно, кроме размаха колебаний, будут учтены частоты, как всего колебания, так и его отдельных составляющих. На практике сделать это весьма проблематично.

    Для измерения СКЗ виброскорости используются самые простые приборы – виброметры. В более сложных приборах (виброанализаторах) также всегда присутствует режим виброметра.

    Виброскорость измеряется в:

    • миллиметрах на секунду [мм/сек]
    • дюймов в секунду [in/s]: 1 in/s = 25,4 мм/сек
    • децибелах, должен быть указан уровень 0 дБ. Если не указан, то, согласно ГОСТ 25275-82, берётся значение 5 * 10-5 мм/сек (По международному стандарту ISO 1683:2015 и ГОСТ Р ИСО 13373-2-2009 за 0 dB берётся 10-6 мм/сек)

    Как перевести виброскорость в дБ ?

    Для стандартного уровня 0 дБ = 5 * 10-5 мм/сек:

    VdB = 20 * lg10(V) + 86

    VdB – виброскорость в децибелах

    lg10 – десятичный логарифм (логарифм по основанию 10)

    V – виброскорость в мм/с

    86 дБ – уровень 1 мм/с

    Ниже приведены значечения виброскорости в дБ для стандартного ряда норм вибрации. Видно, что разница между соседними значениями – 4 дБ. Это соответствует разнице в 1,58 раза.

    мм/с дБ
    45 119
    28 115
    18 111
    11,2 107
    7,1 103
    4,5 99
    2,8 95
    1,8 91
    1,12 87
    0,71 83

    Виброперемещение

    Виброперемещение (вибросмещение, смещение) показывает максимальные границы перемещения контролируемой точки в процессе вибрации. Обычно отображается размахом (двойной амплитудой, Пик-Пик, Peak to peak). Виброперемещение – это растояние между крайними точками перемещения элемента вращающегося оборудования вдоль оси измерения.

    Виброперемещение измеряется в линейных единицах:

    • в микрометрах [мкм]
    • в миллиметрах [мм]: 1 мм = 1000 мкм
    • в милсах, миллидюймах [mils]: 1000 mils = 1 дюйм, 1 mil = 25,4 мкм, 1000 mils = 25,4 мм

    Видео от Сергея Бойкина

    Автор: Андрей Щекалев

    Не хватает информации ?

    Напишите мне свой вопрос, я отвечу Вам и дополню статью полезной информацией.

    Наука со смартфоном: акселерометр

    Ключевые понятия
    Физика
    Движение
    Позиция
    Скорость
    Разгон
    Измерение

    Введение
    Вы когда-нибудь играли в видеоигры с контроллером, который использовал управление движением? Вы когда-нибудь задумывались, как иногда смартфон «узнает», что вы двигаетесь? Как эти электронные устройства измеряют движение? Попробуйте это занятие, чтобы узнать!

    Фон
    Вы, наверное, знакомы с единицами измерения расстояния и скорости.В США мы можем сказать, что рост человека составляет 5 футов 11 дюймов (измерение расстояния) или что мы едем по шоссе со скоростью 55 миль в час (измерение скорости — это единица измерения расстояния за определенный промежуток времени). Ученые используют метрическую систему, которая измеряет расстояние в метрах (м) и скорость в метрах в секунду (м / с).

    Чтобы достичь определенной скорости, объекту часто требуется ускоряться или замедляться. Вы можете использовать слово «ускоряться», чтобы описать то, что ускоряется (например, автомобиль, разгоняющийся после красного светофора), или «замедляться», чтобы описать то, что замедляется (например, автомобиль, нажимающий на тормоза).Мы можем изучить эти идеи и дальше. В то время как скорость измеряет, насколько быстро изменяется расстояние, ускорение измеряет, насколько быстро изменяется скорость. Из-за этого единицы измерения ускорения звучат немного странно: метры в секунду в секунду или «метры в секунду в квадрате» (м / с 2 ). Если что-то имеет постоянную скорость, например, автомобиль, использующий круиз-контроль на шоссе, его ускорение равно нулю. Если скорость вообще изменяется, ускорение не равно нулю. Например, если автомобиль останавливается на светофоре, он имеет скорость 0 м / с.Если он ускоряется и через две секунды имеет скорость 10 м / с, его ускорение составляет 5 м / с 2 . Водители американских горок могут испытывать ускорение примерно до 60 м / с 2 , а пилоты истребителей могут испытывать ускорение до 90 м / с 2 в течение коротких периодов времени! Не волнуйтесь, если все это звучит сбивающе с толку — вы можете просто думать об ускорении как о том, насколько быстро что-то ускоряется или замедляется (если оно замедляется, число будет отрицательным).

    При чем здесь все это смартфоны и игровые контроллеры? Ускорение можно измерить с помощью небольшого электронного устройства, называемого акселерометром.Большинство современных смартфонов содержат встроенные акселерометры и могут запускать приложения, отображающие показания акселерометра. Итак, если вы хотите исследовать движение в окружающем мире, все, что вам нужно, — это смартфон!

    Материалы

    • Смартфон или планшет с доступом в Интернет и разрешением на загрузку и установку приложения
    • Мягкая поверхность, например подушка, кровать или диван
    • Взрослый (для проверки и загрузки приложения)
    • Доступ на детскую площадку (по желанию)
    • Лента на липучке (или другой способ) для крепления телефона к руке или ноге (необязательно)
    • Транспортное средство, на котором можно ездить, например велосипед, автомобиль, автобус и т. Д. (Необязательно)


    Подготовка

    • Попросите взрослого помочь вам найти и загрузить приложение «акселерометр» на смартфон или планшет.Доступно множество бесплатных опций, но в некоторых приложениях может быть включена реклама или встроенные покупки.
    • Познакомьтесь с вашим приложением акселерометра. Некоторые приложения просто отображают число на экране, тогда как другие отображают счетчик или график. Для этого проекта лучше всего подойдет приложение, которое позволяет записывать данные и автоматически находить минимальные и максимальные значения.
    • Большинство приложений для акселерометров отображают три значения ускорения с такими метками, как «X», «Y» и «Z».»Они соответствуют движению вашего телефона в трехмерном пространстве.
    • Обычно, если вы кладете телефон на стол экраном вверх, ускорением по оси X будет любое движение слева направо, ускорением по оси Y будет любое движение в направлении верхней или нижней части устройства и Ускорение «Z» — это любое движение вверх и вниз (над или под поверхностью стола).
    • Некоторые приложения могут дать вам возможность объединить показания со всех трех направлений и отображать комбинированное или общее ускорение.
    • Убедитесь, что приложение работает: помашите телефоном, и вы увидите, что числа изменились.


    Процедура

    • Измерьте ускорение «типичных» движений, которые вы делаете в течение дня. Держите телефон в руке или кладите его в карман, когда вы ходите, садитесь / вставаете, поднимаетесь и спускаетесь по лестнице и т. Д. Насколько велико ускорение, которое вы измеряете?
    • Теперь измерьте ускорения «быстрых» движений.Попробуйте прыгать, бегать, вертеться или размахивать руками (будьте осторожны, не уроните телефон!). Насколько велики эти ускорения?
    • Попробуйте уронить телефон с небольшого расстояния на мягкую поверхность, например подушку, кровать или диван. Какое ускорение происходит при ударе телефона о землю? Как вы думаете, ускорение было бы больше, если бы телефон упал с более высокого места или приземлился на твердую поверхность? (не проверяйте это!)
    • Насколько сложно двигаться с постоянной скоростью? Положите телефон на стол и попробуйте толкнуть его в направлении X или Y. Можете ли вы получить соответствующее значение ускорения, чтобы оно оставалось равным нулю?
    • Дополнительно: Попробуйте наклонить телефон, не перемещая его. Меняются ли показания ускорения в зависимости от того, в какую сторону вы наклоняете телефон?
    • Дополнительно: Снимите показания ускорения на детской площадке. Что происходит, когда вы спускаетесь с горки, качаетесь на качелях или забираетесь на поручни? Где вы испытываете наибольшее ускорение?
    • Extra : снимайте показания ускорения с разных частей тела.Вы можете использовать липучку (или другую), чтобы прикрепить телефон к руке или ноге. Какая часть вашего тела испытывает наибольшее ускорение при беге? Наименьший?
    • Дополнительно: Измерения в автомобиле. Каковы ускорения, когда вы едете на велосипеде (не смотрите в телефон во время езды!) Или едете в машине или автобусе?

    Наблюдения и результаты
    Вы должны легко измерить ускорение примерно до 10 м / с 2 , когда вы совершаете обычные движения, держа телефон в руках.Смартфоны, фитнес-трекеры и шагомеры могут отслеживать изменения этих ускорений, чтобы подсчитать, сколько шагов человек делает в течение дня.

    Ускорение может быть немного выше, если вы положите телефон в карман вместо того, чтобы держать его, потому что он больше подпрыгивает. Более быстрые движения, такие как раскачивание телефона, могут привести к ускорению более 50 м / с. 2 — почти такое же ускорение, которое испытывает кто-то, катаясь на американских горках. Некоторые электронные устройства, такие как ноутбуки, на самом деле имеют «детектор падения» и автоматически отключаются, чтобы предотвратить повреждение, если они обнаруживают слишком большое ускорение.(Опять же, не проверяйте это!)

    Вы можете быть сбиты с толку, если обнаружите, что можете изменить показания ускорения, просто наклонив телефон. В конце концов, телефон не движется — его скорость равна нулю, так разве не должно быть нулевое ускорение? Это происходит потому, что акселерометры также определяют ускорение свободного падения, которое составляет 9,8 м / с 2 . Когда вы наклоняете телефон, направление силы тяжести по отношению к корпусу телефона меняется. Даже если телефон неподвижен, показания ускорения по осям X, Y и Z будут разными, в зависимости от того, какой из них направлен вниз.Так работают элементы управления движением в видеоиграх (например, наклон контроллера для поворота в гоночной игре).

    Больше для изучения
    Техническая записка об акселерометре, от Science Buddies
    Speedy Science: Как ускорение влияет на расстояние? от Scientific American
    Наука: наблюдайте за объектами в свободном падении, от Scientific American
    Занятия STEM для детей от Science Buddies

    Это мероприятие предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies

    Акселерометры: что это такое и как они работают

    Когда вы используете приложение компаса на своем смартфоне, оно каким-то образом знает, в каком направлении указывает телефон.С помощью приложений для наблюдения за звездами он каким-то образом знает, где в небе вы хотите правильно отображать созвездия. Смартфоны и другие мобильные технологии определяют свою ориентацию с помощью ускорителя, небольшого устройства, состоящего из осевого датчика движения.

    Датчики движения в акселерометрах могут даже использоваться для обнаружения землетрясений и могут использоваться в медицинских устройствах, таких как бионические конечности и другие искусственные части тела. Некоторые устройства, являющиеся частью количественного определения собственного движения, используют акселерометры.

    Акселерометр — это электромеханическое устройство, используемое для измерения силы ускорения. Такие силы могут быть статическими, например, непрерывная сила тяжести, или, как в случае со многими мобильными устройствами, динамическими для определения движения или вибрации.

    Ускорение — это измерение изменения скорости или скорости, деленной на время. Например, автомобиль, разгоняющийся с места до 60 миль в час за шесть секунд, будет иметь ускорение 10 миль в час (60, разделенное на 6).

    Назначение акселерометра

    Применение акселерометров распространяется на множество дисциплин, как академических, так и ориентированных на потребителей.Например, акселерометры в ноутбуках защищают жесткие диски от повреждений. Если ноутбук внезапно упадет во время использования, акселерометр обнаружит это внезапное свободное падение и немедленно отключит жесткий диск, чтобы не ударить считывающими головками о пластину жесткого диска. Без этого они могли бы ударить и поцарапать пластину, что приведет к повреждению файлов и чтению. Акселерометры также используются в автомобилях в качестве отраслевого метода обнаружения автомобильных аварий и почти мгновенного срабатывания подушек безопасности.

    В другом примере динамический акселерометр измеряет силу тяжести, чтобы определить угол наклона устройства по отношению к Земле. Ощущая величину ускорения, пользователи анализируют, как движется устройство.

    Акселерометры позволяют пользователю лучше понять окружение предмета. С помощью этого небольшого устройства вы можете определить, движется ли объект вверх по холму, упадет ли он, если наклонится, летит ли он горизонтально или наклоняется вниз.Например, смартфоны поворачивают дисплей между портретным и альбомным режимами в зависимости от того, как вы наклоняете телефон.

    Как они работают

    Ускоритель выглядит как простая схема для более крупного электронного устройства. Несмотря на свой скромный внешний вид, акселерометр состоит из множества различных частей и работает по-разному, две из которых — пьезоэлектрический эффект и емкостной датчик. Пьезоэлектрический эффект является наиболее распространенной формой акселерометра и использует микроскопические кристаллические структуры, которые подвергаются напряжению из-за ускоряющих сил.Эти кристаллы создают напряжение из напряжения, и акселерометр интерпретирует напряжение, чтобы определить скорость и ориентацию.

    Емкостной акселерометр определяет изменения емкости между микроструктурами, расположенными рядом с устройством. Если ускоряющая сила перемещает одну из этих структур, емкость изменится, и акселерометр преобразует эту емкость в напряжение для интерпретации.

    Акселерометры состоят из множества различных компонентов и могут быть приобретены как отдельное устройство.Доступны аналоговые и цифровые дисплеи, хотя для большинства технологических устройств эти компоненты интегрированы в основную технологию и доступны с помощью управляющего программного обеспечения или операционной системы.

    Типичные акселерометры состоят из нескольких осей: две для определения большинства двухмерных перемещений с возможностью третьей для трехмерного позиционирования. В большинстве смартфонов обычно используются трехосные модели, в то время как автомобили просто используют только две оси для определения момента удара. Чувствительность этих устройств довольно высока, поскольку они предназначены для измерения даже очень незначительных изменений ускорения.Чем более чувствителен акселерометр, тем легче он измеряет ускорение.

    Акселерометры, которые активно используются во многих электронных устройствах в современном мире, также доступны для использования в индивидуальных проектах. Независимо от того, являетесь ли вы инженером или техническим специалистом, акселерометр играет очень активную роль в широком спектре функций. Во многих случаях вы можете не заметить наличие этого простого датчика, но есть вероятность, что вы уже используете устройство с ним.

    Акселерометр

    : что это и как работает

    Акселерометр — это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции.Сила, вызванная вибрацией или изменением движения (ускорением), заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который производит электрический заряд, пропорциональный приложенной к нему силе. Поскольку заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то заряд также пропорционален ускорению. Эти датчики используются по-разному, от космических станций до портативных устройств, и есть большая вероятность, что у вас уже есть устройство с акселерометром в нем.Например, сегодня почти во всех смартфонах есть акселерометр. Они помогают телефону узнать, испытывает ли он ускорение в каком-либо направлении, и по этой причине дисплей вашего телефона включается, когда вы его переворачиваете. В промышленных условиях акселерометры помогают инженерам понять устойчивость машины и позволяют им отслеживать любые нежелательные силы / вибрации.

    Подробнее об акселерометрах

    КАК ВЫБРАТЬ АКСЕЛЕРОМЕТР?
    1. Какую амплитуду вибрации следует контролировать?
    2. Какой частотный диапазон нужно контролировать?
    3. Каков температурный диапазон установки?
    4. Каков размер и форма исследуемого образца?
    5. Есть ли электромагнитные поля?
    6. Имеется ли поблизости высокий уровень электрических шумов?
    7. Заземлили ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?
    8. Является ли окружающая среда агрессивной?
    9. Требуются ли в данной области искробезопасные или взрывозащищенные приборы?
    10. Это место влажное или вымытое?

    Как работает акселерометр?

    Акселерометр работает с использованием электромеханического датчика, который предназначен для измерения статического или динамического ускорения.Статическое ускорение — это постоянная сила, действующая на тело, например сила тяжести или трение. Эти силы в значительной степени предсказуемы и однородны. Например, ускорение свободного падения постоянно и составляет 9,8 м / с, а сила гравитации почти одинакова во всех точках Земли.

    Силы динамического ускорения неоднородны, и лучшим примером является вибрация или удары. Автокатастрофа — отличный пример динамического ускорения. Здесь изменение ускорения внезапно по сравнению с его предыдущим состоянием.Теория акселерометров заключается в том, что они могут определять ускорение и преобразовывать его в измеримые величины, такие как электрические сигналы.

    Типы акселерометров

    Пьезоэлектрические акселерометры (датчики вибрации) бывают двух типов. Первый тип — это акселерометр с выходом заряда с «высоким сопротивлением». В этом типе акселерометра пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами. Для вывода заряда требуются специальные приспособления и приборы, которые чаще всего встречаются в исследовательских центрах.Этот тип акселерометра также используется в высокотемпературных приложениях (> 120 ° C), где нельзя использовать модели с низким импедансом.

    Второй тип акселерометра — это акселерометр с низким сопротивлением на выходе. Акселерометр с низким импедансом имеет акселерометр заряда в качестве переднего конца, но имеет крошечную встроенную микросхему и транзистор на полевом транзисторе, который преобразует этот заряд в напряжение с низким сопротивлением, которое может легко взаимодействовать со стандартными приборами. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности.Источник питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащее питание микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и устраняет уровень смещения постоянного тока, они обычно вырабатывают выходной сигнал с нулевым отсчетом до +/- 5 В в зависимости от Номинальное значение акселерометра в мВ / г. Все акселерометры OMEGA® относятся к этому типу с низким импедансом.

    Основные области применения акселерометров

    Акселерометры

    находят множество применений в различных отраслях промышленности. Как уже говорилось, вы можете найти их в самых сложных машинах для ваших портативных устройств.Давайте посмотрим на некоторые практические применения акселерометров. Цифровые устройства: Акселерометры в смартфонах и цифровых камерах отвечают за поворот дисплея в зависимости от того, в каком положении вы его держите.

    Транспортные средства: Изобретение подушек безопасности за годы спасло миллионы жизней. Акселерометры используются для срабатывания подушек безопасности, поскольку датчик посылает сигнал при внезапном сотрясении. Дроны: Акселерометры помогают дронам стабилизировать ориентацию в полете. Вращающееся оборудование: Акселерометры, используемые во вращающихся машинах, обнаруживают волнообразные колебания. Промышленные платформы: Для измерения устойчивости или наклона платформы. Мониторинг вибрации: Движущиеся машины создают вибрации, и эти вибрации могут быть вредными для машин, если их оставить без присмотра и усилить. Акселерометры полезны для контроля вибраций и все чаще используются на промышленных предприятиях, турбинах и т. Д.

    Выберите правильный акселерометр

    Акселерометр премиум-класса
    Эти акселерометры изготовлены из отборных кристаллов премиум-класса и используют малошумную схему для создания первоклассного малошумящего акселерометра.Их корпус из нержавеющей стали 316L герметично защищен от воздействия окружающей среды, поэтому они могут выдерживать суровые промышленные условия. У них также есть варианты искробезопасности FM и CSA. ACC793 — это стандартная конфигурация верхнего кабеля, а ACC797 — низкопрофильная конфигурация бокового кабеля.

    Учить больше

    Акселерометр промышленного класса
    Акселерометры промышленного класса — это рабочие лошадки в промышленности. Они используются на всем, от станков до малярных шейкеров.OMEGA предлагает на выбор четыре модели. ACC101 (показан) — это высококачественный недорогой акселерометр общего назначения. ACC 102A герметичен для работы в суровых условиях, имеет фиксированный кабель и весит всего 50 граммов. ACC786A, верхний кабель, и ACC787A, боковой кабель, герметично закрыты, а съемные кабели закрыты от непогоды.

    Учить больше

    Акселерометр с высокой вибрацией Акселерометры
    , используемые для контроля высоких уровней вибрации, имеют более низкий выходной сигнал (10 мВ / г) и меньшую массу, чем промышленные акселерометры.ACC103 весит 15 г и может контролировать уровни вибрации до 500 г. Это конструкция с креплением на шпильках, предназначенная для использования на вибростолах, вибролабораториях и тяжелых промышленных станках. ACC104 весит всего 1,5 грамма и предназначен для крепления на клей. Обе модели имеют частотный диапазон от 3 до 10 кГц и динамический диапазон +/- 500 g.

    Учить больше

    Часто задаваемые вопросы

    Установка акселерометра
    Датчик должен быть установлен непосредственно на поверхности машины для правильного измерения вибрации.Этого можно добиться с помощью нескольких типов креплений:

    — Плоское магнитное крепление
    — 2-полюсное магнитное крепление
    — Клеи (эпоксидные / цианоакрилатные)
    — Монтажная шпилька
    — Изолирующая шпилька

    Магнитные крепления — это, как правило, временные крепления.
    Магнитные опоры используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам, обычно используемым в станках, конструкциях и двигателях. Они позволяют легко перемещать датчик с места на место для получения показаний в нескольких местах.Двухполюсные магнитные крепления используются для крепления акселерометра к изогнутой ферромагнитной поверхности.

    Клеи и шпильки с резьбой считаются постоянными креплениями.
    Клеи, такие как эпоксидная смола или цианоакрилат, доказали свою эффективность в большинстве случаев. Сохраняйте пленку как можно более тонкой, чтобы избежать нежелательного гашения вибраций из-за гибкости пленки. Чтобы снять закрепленный на клее акселерометр, используйте гаечный ключ на плоских поверхностях корпуса и поверните его, чтобы разорвать клеевое соединение.НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ МОЛОТОК. Удар по акселерометру приведет к его повреждению.

    Монтажные шпильки являются предпочтительным методом монтажа.
    Они требуют просверливания конструкции и нарезания резьбы, но обеспечивают прочное и надежное крепление. Обязательно соблюдайте указанные настройки крутящего момента, чтобы не повредить датчик или не оборвать резьбу.

    Датчик вибрации Vs. Акселерометр

    Устройство, которое вы видите как датчик вибрации, представляет собой не что иное, как акселерометр. Поскольку акселерометры очень хорошо измеряют изменение скорости, эту особенность лучше всего использовать для измерения вибраций, поскольку скорость всегда постоянно меняется.

    Информация о продукте Техническое обучение Просмотреть эту страницу на другом языке или в другом регионе

    Техническая нота по акселерометру

    Убедитесь, что в вашем браузере включен JavaScript.Если вы оставите отключенным JavaScript, вы получите доступ только к части предоставляемого нами контента. Вот как.

    Следующая информация предназначена для дополнения учебного курса Science Buddies по использованию параметров датчика акселерометра в приложении Google Science Journal. Этот ресурс предоставляет более подробное объяснение науки, лежащей в основе акселерометра, а также параметров X, Y, Z и линейного акселерометра в приложении.

    Что такое акселерометр?

    Акселерометр — это устройство, которое измеряет ускорение, которое представляет собой изменение скорости объекта в секунду.Поскольку скорость измеряется в метрах в секунду (м / с), ускорение измеряется в метрах в секунду в секунду, что записывается в метрах в секунду в квадрате (м / с 2 ). Технически акселерометр измеряет собственное ускорение , что не то же самое, что ускорение координаты . Это означает, что акселерометр можно использовать для определения направления силы тяжести. Этот ресурс объяснит, что это означает более подробно.

    Как приложение «Научный журнал» использует акселерометр?

    Ваш телефон оснащен встроенным акселерометром, который используется в приложении Google Science Journal.Чтобы использовать акселерометр в приложении, вам нужно выбрать, какой датчик акселерометра вы хотите использовать, в зависимости от того, что вы измеряете, и направления, в котором телефон будет двигаться или наклоняться в рамках эксперимента. Приложение «Научный журнал» включает отдельные датчики для акселерометра X, акселерометра Y, акселерометра Z и линейного акселерометра. Дополнительные сведения об использовании датчиков акселерометра в приложении «Научный журнал» см. В разделе Исследование ускорения с помощью приложения для датчиков.

    Что означает, что акселерометр «определяет силу тяжести»? Как может быть ненулевое показание ускорения, даже когда телефон не движется?

    Представьте, что вы держите линейку за один конец параллельно земле.Линейка будет слегка изгибаться под действием собственного веса, как показано на рисунке 1.


    Рисунок 1.

    Теперь представьте, что вы держите линейку вертикально вверх (ваша рука находится внизу). Сначала линейка будет прямой. Но если быстро отвести руку в сторону, свободный конец линейки погнется, как показано на рисунке 2 .:

    Когда линейку держат вертикально и тянут в горизонтальном направлении, край линейки, наиболее удаленный от руки, изгибается в противоположном направлении.


    Рисунок 2.

    В обоих случаях линейка изгибается. В одном случае он изгибается под действием силы тяжести (собственный вес линейки тянет его вниз). В другом случае он изгибается из-за изменения скорости.

    А теперь представьте, что роняет линейку — держит ее перед собой и отпускает. В этом случае линейка упадет, но совсем не погнется.


    Рисунок 3.

    Теперь представьте, что вы можете каким-то образом измерить, насколько линейка изгибается, но у вас нет другой информации о том, движется ли линейка.Глядя только на данные, можете ли вы сказать, изогнулась ли линейка из-за наличия силы тяжести или из-за изменения ее скорости? Оказывается, нельзя! Вы не поверите, но вы только что узнали о принципе эквивалентности общей теории относительности Эйнштейна. Невозможно определить (только по данным), изогнулась ли линейка из-за силы тяжести или из-за того, что ее скорость изменилась.

    Хотя их механическая конструкция немного сложнее простой линейки, акселерометры работают точно так же.Они состоят из частей, которые изгибаются или деформируются при ускорении и под действием силы тяжести. Трехосевой акселерометр в вашем телефоне имеет три из этих структур, расположенных перпендикулярно друг другу, что позволяет ему измерять в направлениях X, Y и Z отдельно. Деформация этих структур измеряется электрически. Основываясь только на этом электрическом показании, невозможно определить, вызвана ли деформация наличием силы тяжести (рисунок 1 выше) или изменением скорости (рисунок 2.выше) или их комбинацию. Технически это называется «правильным ускорением» (в отличие от «координатного ускорения», которое представляет собой чисто изменение скорости объекта в фиксированной системе координат, не включая какие-либо эффекты силы тяжести).

    Но поскольку сила тяжести направлена ​​вниз, разве акселерометр Z не должен показывать

    отрицательное значение 9,8 м / с 2 , когда телефон лежит на столе лицевой стороной вверх?

    Правильное ускорение (обсуждалось в ответе на предыдущий вопрос) определяется как ускорение относительно объекта в свободном падении .Представьте, что у вас есть два телефона: один лежит на столе, а другой вы роняете (и притворяетесь, что можете его идеально уронить, чтобы он оставался экраном вверх). Телефон, который вы уроните, покажет нулевое ускорение в направлении Z (поскольку он находится в свободном падении, «линейка» не изгибается, как показано на рисунке 3 выше). Телефон, лежащий на столе, неподвижен относительно и , но относительно падающего телефона он ускоряется «вверх» со скоростью 9,8 м / с 2 . Поскольку Научный журнал определяет положительное направление Z как выход за пределы экрана телефона, приложение будет отображать положительное значение 9.8 м / с 2 . Если перевернуть телефон вверх ногами (отрицательное направление по оси Z указывает «вверх»), то на экране отобразится отрицательное значение 9,8 м / с 2 . (Чтобы увидеть это в действии, см. Образец графика в учебном пособии Изучение ускорения с помощью приложения Sensor.)

    Если сила тяжести влияет на показания акселерометра, то как линейный акселерометр сообщает об ускорении без учета силы тяжести?

    Выше мы объяснили, что , если у вас нет другой информации , тогда невозможно определить разницу между гравитацией и изменением скорости с помощью акселерометра.Однако у вашего телефона есть хитрость. Он также содержит магнитометр , устройство, которое измеряет магнитные поля. Магнитометр помогает телефону определить, в каком направлении находится «вниз», сначала выясняя, в какую сторону указывает магнитное поле Земли. Как только телефон узнает, где вниз, он может вычесть влияние силы тяжести из показаний акселерометра. Вот почему линейный акселерометр показывает 0 м / с 2 , когда вы кладете телефон на стол. Хотя есть ускорение на 9.8 м / с 2 в направлении Z, телефон знает, что ось Z направлена ​​вверх (перпендикулярно земле), поэтому он вычитает это значение перед вычислением линейного ускорения.

    Почему значения линейного акселерометра никогда не бывают отрицательными?

    Вас может сбить с толку тот факт, что значения линейного акселерометра всегда остаются положительными, даже когда телефон «тормозит» или меняет направление. Разве в этом случае ускорение не должно быть отрицательным? Короткий ответ заключается в том, что линейное ускорение составляет величины объединенных ускорений X, Y и Z, исключая силу тяжести.Ускорение — это вектор , который похож на стрелку в пространстве, которая идет от одной точки к другой. Вектор имеет как величину (длину), так и направление. Величина вектора всегда положительна , независимо от того, в какую сторону указывает вектор (точно так же, как длина объекта всегда положительна, независимо от того, как вы вращаете объект). Если это объяснение вас устраивает, отлично! Если нет, продолжайте читать, чтобы узнать больше о векторах.

    Когда мы рисуем векторы, мы представляем их стрелками.Этот вектор идет из точки A в точку B. Чтобы упростить запись, мы можем просто назвать его «вектор AB»:


    Рисунок 4.

    Два или более вектора могут быть объединены в один эквивалентный вектор. Например, здесь вектор, который идет от A к B (вектор AB), может быть объединен с вектором BC, чтобы сформировать эквивалентный вектор AC:


    Рисунок 5.

    Ускорения по осям X, Y и Z — это векторы, заданные вдоль определенной оси.Эти оси имеют четко определенные положительные и отрицательные направления. Например, когда вы смотрите на экран своего телефона, положительный Y — вверх, отрицательный Y — вниз, положительный X — справа, а отрицательный X — слева. По отдельности эти значения могут быть как положительными, так и отрицательными (где «положительный» означает, что вектор указывает в положительном направлении, а «отрицательный» означает, что вектор указывает в отрицательном направлении). Например, красные и зеленые стрелки здесь показывают ускорение по оси X +4 м / с 2 и ускорение по оси Y, равное -3 м / с 2 соответственно:


    Рисунок 6.

    Эти два вектора ускорения можно объединить, соединив их встык (как на рисунке 5), чтобы сформировать один эквивалентный вектор ускорения, показанный фиолетовым цветом. ( Примечание : мы не учитываем ускорение по оси Z, чтобы эти рисунки оставались двухмерными и их было легче отслеживать):


    Рисунок 7.

    Однако невозможно сказать, является ли этот вектор «положительным» или «отрицательным». Он указывает вдоль положительной оси X, но отрицательной оси Y.Мы все еще можем измерить длину вектора, которая всегда положительна, независимо от того, в какую сторону он указывает. Вот почему значения линейного ускорения всегда положительны — линейный акселерометр измеряет длину объединенных векторов ускорения X, Y и Z (после вычитания силы тяжести, которая также является вектором).

    Вы также можете объяснить это, используя немного математики. Знаком ли вам рисунок векторов AB, BC и AC (показанный на рисунке 5.)? Если вы узнали о теореме Пифагора в школе, вы должны распознать ее как прямоугольный треугольник.Если вам известны длины любых двух сторон треугольника, вы можете рассчитать длину третьей стороны, используя следующее уравнение:

    [Пожалуйста, включите JavaScript, чтобы просмотреть уравнение]

    Вы можете изменить это уравнение, чтобы найти длину гипотенузы (самой длинной стороны), если вам известны длины двух других сторон:

    [Пожалуйста, включите JavaScript, чтобы просмотреть уравнение]

    Поскольку квадрат действительного числа всегда положителен, то согласно этому уравнению, c всегда будет положительным, даже если a или b (или оба) отрицательны.Та же концепция применима в трех измерениях для ускорений X, Y и Z.

    Всегда ли положительное значение ускорения означает, что телефон «разгоняется»? Всегда ли отрицательное значение ускорения означает, что телефон «тормозит»?

    Короткий ответ — «не обязательно». При интерпретации данных акселерометра нужно быть осторожным с фразами типа «ускорение» и «замедление» или такими словами, как «ускорять» и «замедлять». Во-первых, как описано в предыдущем вопросе, значение линейного ускорения всегда положительно, даже если телефон «тормозит».»И, как описано ранее, в зависимости от ориентации телефона акселерометры X, Y и Z могут показывать ненулевое ускорение из-за силы тяжести, даже если скорость телефона не меняется. Однако даже при использовании X, Y , акселерометры Z и тщательно контролируя ориентацию телефона, вы должны быть осторожны с условным обозначением знаков (определение того, какой путь положительный, а какой отрицательный) для ускорения и того, как вы его описываете.

    Чтобы показать это, положите телефон на пол и откройте датчик Y акселерометра.Начните запись, а затем толкните свой телефон в положительном направлении оси Y. Дайте ему скользить, пока он не остановится. Затем остановите запись. Вы должны увидеть что-то вроде этого:


    Рисунок 8.

    В первой части графика положительное ускорение при нажатии на телефон. За это время его скорость увеличивается. На обыденном языке мы бы сказали, что он «ускоряется» или «ускоряется». Во второй части графика наблюдается отрицательное ускорение при скольжении телефона до остановки.На обыденном языке мы бы сказали, что он «замедляется» или «замедляется».

    Теперь попробуйте то же самое, но на этот раз переверните телефон так, чтобы вы толкали его в отрицательном направлении оси Y. Ваш график должен выглядеть примерно так:


    Рисунок 9.

    На этот раз график перевернут. Сначала происходит отрицательное ускорение , когда вы нажимаете на телефон, а затем положительное ускорение , когда телефон останавливается по инерции.Однако, даже если у него отрицательное ускорение, вы не скажете, что телефон «замедляется» или «замедляется», когда вы нажимаете на него, или, наоборот, даже если у него положительное ускорение, что он «ускоряется» или «ускорение» при остановке по инерции. Внезапно повседневный язык, который мы используем, говоря о скорости и ускорении, начинает сбивать с толку. Если вы предположите, что «отрицательное ускорение» означает «замедление», тогда ваша интерпретация графика может быть неверной.

    Проблема возникает из-за важного различия между словами скорость и скорость .В повседневном языке мы часто используем их как синонимы. Однако в физике скорость — это вектор, а скорость — это величина , величина этого вектора (просмотрите раздел о векторах, если это не ясно). Когда говорят о скорости только в одном направлении, это означает, что скорость может быть положительной или отрицательной, но скорость всегда положительна (другими словами, скорость — это абсолютное значение скорости). Когда мы говорим, что что-то «ускоряется» или «ускоряется», мы обычно имеем в виду, что его скорость увеличивается или что скорость удаляется от нуля (в положительном или отрицательном направлении).Это значение становится ясным, когда скорость становится «более положительной» (например, изменяется с +10 м / с до +15 м / с), потому что ускорение или изменение скорости положительное.

    Однако это сбивает с толку, когда скорость становится «более отрицательной» (например, изменяется с -10 м / с на -15 м / с). В то время как скорость объекта составляет при уменьшении , скорость (абсолютное значение скорости) составляет при увеличении . Таким образом, даже если ускорение отрицательное, вы все равно можете сказать, что объект «ускоряется».«И наоборот, когда скорость объекта становится« менее отрицательной »(например, изменяется с -15 м / с до -10 м / с), он имеет положительное ускорение, но его скорость уменьшается, поэтому вы бы сказали, что это так» замедление «.

    Итак, будьте осторожны при интерпретации графиков ускорения из ваших экспериментов и убедитесь, что вы учитываете, в каком направлении указывал ваш телефон! Вам нужно будет быть особенно осторожным при проведении любого эксперимента, в котором телефон движется вперед и назад (например, прикреплен к маятнику, колеблющейся пружине или движущемуся человеку), поскольку скорость и ускорение телефона изменятся с положительного на отрицательный.

    Видео о нашей науке

    5 научных экспериментов, которые можно проделать с помощью Peeps

    Пакет DIY Glitter Surprise с простой схемой

    Сделайте слякоть! Вкусный STEM Project

    Accelerometer Basics — узнать.sparkfun.com

    Что такое акселерометр?

    Акселерометры — это устройства, измеряющие ускорение, то есть скорость изменения скорости объекта. Они измеряются в метрах на секунду в квадрате (м / с 2 ) или в перегрузках (g). Единичная сила перегрузки для нас здесь, на планете Земля, эквивалентна 9,8 м / с 2 , но она немного меняется с высотой (и будет другим значением на разных планетах из-за изменений гравитационного притяжения). Акселерометры полезны для измерения вибрации в системах или для ориентации.

    Рекомендуемая литература

    Если вы не знакомы с какой-либо из приведенных ниже тем, вы можете прочитать их, прежде чем переходить к акселерометрам.

    Логические уровни

    Узнайте разницу между устройствами 3,3 В и 5 В и логическими уровнями.

    I2C

    Введение в I2C, один из основных используемых сегодня протоколов встроенной связи.


    Как работает акселерометр

    Акселерометры — это электромеханические устройства, которые определяют статические или динамические силы ускорения. Статические силы включают гравитацию, а динамические силы могут включать колебания и движение.

    Оси измерения трехосного акселерометра

    Акселерометры могут измерять ускорение по одной, двум или трем осям. 3-осевые агрегаты становятся все более распространенными, поскольку стоимость их разработки снижается.

    Обычно акселерометры содержат внутри емкостные пластины. Некоторые из них зафиксированы, а другие прикреплены к крохотным пружинам, которые перемещаются внутри, когда на датчик действуют силы ускорения. Когда эти пластины перемещаются относительно друг друга, емкость между ними изменяется. По этим изменениям емкости можно определить ускорение.

    Другие акселерометры могут быть ориентированы на пьезоэлектрические материалы. Эти крошечные кристаллические структуры выделяют электрический заряд, когда подвергаются механическому воздействию (например.грамм. ускорение).

    Пример внутренней части пьезоэлектрического акселерометра


    Как подключить к акселерометру

    Для большинства акселерометров основными соединениями, необходимыми для работы, являются питание и линии связи. Как всегда, прочтите техническое описание, чтобы убедиться, что все соединения выполнены правильно.

    Интерфейс связи

    Акселерометры

    обмениваются данными через аналоговый, цифровой интерфейс или интерфейс с широтно-импульсной модуляцией.

    • Аналоговый — Акселерометры с аналоговым интерфейсом показывают ускорение при различных уровнях напряжения. Эти значения обычно колеблются между уровнем заземления и уровнем напряжения питания. Затем для считывания этого значения можно использовать АЦП на микроконтроллере. Как правило, они дешевле цифровых акселерометров.

    • Digital — Акселерометры с цифровым интерфейсом могут обмениваться данными через протоколы связи SPI или I 2 C.Они, как правило, обладают большей функциональностью и менее чувствительны к шуму, чем аналоговые акселерометры.

    • Широтно-импульсная модуляция (PWM) — Акселерометры, которые выводят данные с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM), выдают прямоугольные волны с известным периодом, но с рабочим циклом, который изменяется с изменениями ускорения.

    Мощность

    Акселерометры обычно маломощные. Требуемый ток обычно находится в диапазоне микро (µ) или миллиампер при напряжении питания 5 В или меньше.Потребление тока может варьироваться в зависимости от настроек (например, режим энергосбережения по сравнению со стандартным рабочим режимом). Эти различные режимы могут сделать акселерометры подходящими для приложений с батарейным питанием.

    Убедитесь, что соответствующие логические уровни согласованы, особенно с цифровыми интерфейсами.


    Как выбрать акселерометр

    При выборе акселерометра важно учитывать несколько функций, включая требования к питанию и интерфейсы связи, как обсуждалось ранее.Дополнительные возможности для рассмотрения приведены ниже.

    Диапазон

    Большинство акселерометров имеют выбираемый диапазон измеряемых сил. Эти диапазоны могут варьироваться от ± 1 г до ± 250 г. Как правило, чем меньше диапазон, тем более чувствительными будут показания акселерометра. Например, для измерения небольших вибраций на столе использование акселерометра с малым диапазоном дает более подробные данные, чем использование диапазона 250g (который больше подходит для ракет).

    Трехосевой акселерометр ADXL362 может измерять значения ± 2g, ± 4g и ± 8g.

    Дополнительные функции

    Некоторые акселерометры включают такие функции, как обнаружение постукивания (полезно для приложений с низким энергопотреблением), обнаружение свободного падения (используется для активной защиты жесткого диска), температурная компенсация (для повышения точности в ситуациях точного расчета) и определение диапазона 0 g, которое другие особенности, которые следует учитывать при покупке акселерометра. Потребность в таких функциях акселерометра будет определяться приложением, в которое встроен акселерометр.

    Также доступны IMU (инерциальные измерительные устройства), которые могут включать в себя акселерометры, гироскопы и даже, иногда, магнитометры в одном корпусе или плате ИС. Некоторые примеры этого включают MPU6050 и MPU9150. Они обычно используются в приложениях для отслеживания движения и системах наведения БПЛА, где важны местоположение и ориентация объекта.


    Покупка акселерометра

    Теперь, когда вы выучили азбуку x, y и z, взгляните на рекомендуемые нами акселерометры.

    Наши рекомендации:

    Для более подробного изучения выбора акселерометра, ознакомьтесь с нашим руководством по покупке , чтобы найти то, что подходит для вашего проекта.

    Ресурсы и дальнейшее развитие

    Теперь у вас должны быть все основные инструменты и навыки, необходимые для реализации акселерометра в вашем собственном проекте.

    Чтобы узнать больше об акселерометрах, перейдите по следующим ссылкам:

    Как работают акселерометры | Виды акселерометров

    Криса Вудфорда.Последнее изменение: 8 октября 2020 г.

    Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто — взгляните на спидометр! Скорость удобное измерение, показывающее, как быстро вы можете получить из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощный двигатель это есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум скорости — это просто цифры на бумаге, мало или бесполезные для кого-либо.

    Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться.Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, много портативных компьютеров и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii. Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

    Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

    Для чего используются акселерометры?

    Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

    Акселерометры — это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменение скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как на него действует гравитация, и силу, которую оно ощущает).Акселерометры бывают также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей. Еще одно очень распространенное применение на транспорте — автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

    Фото: набор акселерометров, используемых для испытаний ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

    Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону. Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус с помощью крошечных микросхем акселерометра внутри.

    Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры.Знаете ли вы, например, что высокотехнологичный стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетались на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

    Что такое ускорение?

    Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение — так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение — это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

    Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знайте, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться — мяч взлетит в воздух.

    Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту — например, пинаете футбольный мяч.Ускорение — это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

    Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

    Сила = масса x ускорение

    или …

    F = m и

    или …

    а = Ф / м

    Другими словами, ускорение — это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите — и тем быстрее мяч полетит по небу.

    Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

    Как работают акселерометры?

    Это уравнение — теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не за счет расчета изменения скорости с течением времени, а за счет измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

    Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимаясь своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является машина пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

    Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель автомобиля, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

    Акселерометры работают примерно так же.

    Типы акселерометров

    Есть много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (раньше измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


    Изображение: Основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

    Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему.Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


    Изображение: широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

    В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


    Изображение: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

    В акселерометрах на эффекте Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

    Лучший способ измерить ускорение

    Иллюстрация оптомеханического акселерометра, в котором для измерения ускорения используется свет. Устройство NIST состоит из двух кремниевых чипов, инфракрасный лазерный свет входит в нижний чип и выходит из него. Верхний чип содержит контрольную массу, подвешенную на силиконовых балках, которая позволяет массе свободно перемещаться вверх и вниз в ответ на ускорение. Зеркальное покрытие на пробной массе и полусферическое зеркало, прикрепленное к нижнему чипу, образуют оптический резонатор.Длина волны инфракрасного света выбирается так, чтобы она почти соответствовала резонансной длине волны полости, что позволяет свету наращивать интенсивность, поскольку он многократно отражается между двумя зеркальными поверхностями перед выходом. Когда устройство испытывает ускорение, контрольная масса перемещается, изменяя длину полости и сдвигая резонансную длину волны. Это изменяет интенсивность отраженного света. Оптическое считывающее устройство преобразует изменение интенсивности в измерение ускорения.

    Кредит: Ф. Чжоу / NIST

    Вы едете на максимальной скорости по двухполосной дороге, когда справа от вас выезжает машина. Вы нажимаете на тормоз, и в течение доли секунды после удара подушка безопасности надувается, спасая вас от серьезной травмы или даже смерти.

    Подушка безопасности срабатывает благодаря акселерометру — датчику, который обнаруживает резкие изменения скорости. Акселерометры удерживают ракеты и самолеты на правильной траектории полета, обеспечивают навигацию для беспилотных автомобилей и поворачивают изображения так, чтобы они оставались правильной стороной вверх на мобильных телефонах и планшетах, среди других важных задач.

    Удовлетворяя растущий спрос на точное измерение ускорения в небольших навигационных системах и других устройствах, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали акселерометр толщиной всего миллиметр, который использует лазерный свет вместо механической деформации для генерации сигнала.

    Хотя некоторые другие акселерометры также полагаются на свет, конструкция прибора NIST делает процесс измерения более простым, обеспечивая более высокую точность.Он также работает в более широком диапазоне частот и прошел более строгие испытания, чем аналогичные устройства.

    Устройство NIST, известное как оптомеханический акселерометр, не только намного точнее лучших коммерческих акселерометров, но и не требует длительного процесса периодической калибровки. Фактически, поскольку прибор использует лазерный свет известной частоты для измерения ускорения, он в конечном итоге может служить портативным эталоном для калибровки других акселерометров, имеющихся сейчас на рынке, делая их более точными.

    Акселерометр также может улучшить инерциальную навигацию в таких критически важных системах, как военные самолеты, спутники и подводные лодки, особенно когда сигнал GPS недоступен. Исследователи NIST Джейсон Горман, Томас ЛеБрун, Дэвид Лонг и их коллеги описывают свою работу в журнале Optica .

    Эта анимация демонстрирует принцип работы нового акселерометра. Этот оптомеханический акселерометр состоит из двух кремниевых микросхем.Первый чип имеет контрольную массу, подвешенную на кремниевых балках, что позволяет контрольной массе двигаться вертикально. Верх массы имеет зеркальное покрытие. Вторая микросхема имеет врезное полусферическое зеркало. Вместе массивные и полусферные зеркала образуют оптический резонатор. Инфракрасный лазерный свет направлен внутрь устройства. Большинство частот полностью отражаются. Однако свет, соответствующий резонансной частоте, накапливается внутри полости, увеличивая интенсивность до тех пор, пока интенсивность света, проходящего через полость, не совпадает с входным.Свет, проходящий через полость, можно обнаружить с другой стороны. Когда устройство ускоряется, длина полости изменяется, сдвигая резонансную частоту. Постоянно согласовывая лазер с резонансной частотой полости, исследователи могут определить ускорение устройства. Анимация: Шон Келли / NIST

    Исследование является частью NIST on a Chip, программы, которая предоставляет передовые технологии и опыт института в области науки и измерений непосредственно пользователям в коммерции, медицине, обороне и академических кругах.

    Акселерометры

    , включая новое устройство NIST, регистрируют изменения скорости, отслеживая положение свободно движущейся массы, называемой «контрольной массой», относительно фиксированной контрольной точки внутри устройства. Расстояние между контрольной массой и контрольной точкой изменяется только в том случае, если акселерометр замедляется, ускоряется или меняет направление. То же самое и с пассажиром в машине. Если автомобиль неподвижен или движется с постоянной скоростью, расстояние между вами и приборной панелью остается неизменным.Но если машина внезапно тормозит, вас отбрасывает вперед, и расстояние между вами и приборной панелью уменьшается.

    Движение контрольной массы создает обнаруживаемый сигнал. Акселерометр, разработанный исследователями NIST, использует инфракрасный свет для измерения изменения расстояния между двумя сильно отражающими поверхностями, которые закрывают небольшую область пустого пространства. Контрольная масса, подвешенная на гибких балках шириной в одну пятую ширины человеческого волоса, так что она может свободно перемещаться, поддерживает одну из зеркальных поверхностей.Другая отражающая поверхность, которая служит фиксированной точкой отсчета акселерометра, состоит из неподвижного микровогнутого зеркала.

    Вместе две отражающие поверхности и пустое пространство между ними образуют полость, в которой инфракрасный свет нужной длины волны может резонировать или отражаться назад и вперед между зеркалами, увеличивая интенсивность. Эта длина волны определяется расстоянием между двумя зеркалами, так же как высота звука щипковой гитары зависит от расстояния между ладом инструмента и мостом.Если контрольная масса перемещается в ответ на ускорение, изменяя расстояние между зеркалами, резонансная длина волны также изменяется.

    Чтобы отслеживать изменения резонансной длины волны резонатора с высокой чувствительностью, стабильный одночастотный лазер привязан к резонатору. Как описано в недавней публикации в Optics Letters , исследователи также использовали оптическую частотную гребенку — устройство, которое можно использовать в качестве линейки для измерения длины волны света — для измерения длины резонатора с высокой точностью.Отметки линейки (зубцы гребня) можно представить как серию лазеров с одинаково разнесенными длинами волн. Когда пробная масса перемещается в течение периода ускорения, сокращая или удлиняя полость, интенсивность отраженного света изменяется по мере того, как длины волн, связанные с зубцами гребня, входят и выходят из резонанса с полостью.

    Точное преобразование смещения контрольной массы в ускорение является критическим шагом, который был проблематичным в большинстве существующих оптомеханических акселерометров.Тем не менее, новый дизайн команды гарантирует, что динамическое соотношение между смещением контрольной массы и ускорением просто и легко смоделировать с помощью первых принципов физики. Короче говоря, испытательная масса и опорные балки спроектированы так, что они ведут себя как простая пружина или гармонический осциллятор, который вибрирует с одной частотой в рабочем диапазоне акселерометра.

    Этот простой динамический отклик позволил ученым достичь низкой погрешности измерения в широком диапазоне частот ускорения — от 1 килогерц до 20 килогерц — без необходимости калибровки устройства.Эта особенность уникальна тем, что все коммерческие акселерометры необходимо калибровать, что отнимает много времени и дорого. С момента публикации своего исследования в Optica исследователи внесли несколько улучшений, которые должны снизить погрешность их устройства почти до 1%.

    Оптико-механический акселерометр, способный определять смещения контрольной массы, которые составляют менее одной стотысячной диаметра атома водорода, обнаруживает ускорение величиной до 32 миллиардных g, где g — ускорение, вызванное силой тяжести Земли.Это более высокая чувствительность, чем у всех имеющихся сейчас на рынке акселерометров с аналогичными размерами и полосой пропускания.

    При дальнейших усовершенствованиях оптомеханический акселерометр NIST можно использовать в качестве портативного высокоточного эталонного устройства для калибровки других акселерометров без необходимости приносить их в лабораторию.


    Документ 1: Ф. Чжоу, Я. Бао, Р. Мадугани, Д.А. Лонг, Дж. Дж. Горман и Томас В. ЛеБрун. Широкополосное термомеханически ограниченное зондирование с помощью оптомеханического акселерометра. Оптика . Опубликовано 8 марта 2021 г. DOI: 10.1364 / OPTICA.413117

    Документ 2: Д.А. Лонг, Б.Дж. Решовский, Ф. Чжоу, Ю. Бао, Т. ЛеБрун и Дж. Дж. Горман. Электрооптические частотные гребенки для быстрого опроса в оптомеханике резонаторов. Письма об оптике . Опубликовано 29 января 2021 г. DOI: 10.1364 / OL.405299

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *