Acelerômetro - Accelerometer

Um acelerômetro é uma ferramenta que mede a aceleração adequada . A aceleração adequada é a aceleração (a taxa de variação da velocidade ) de um corpo em seu próprio quadro de repouso instantâneo ; isso é diferente da aceleração por coordenadas, que é a aceleração em um sistema de coordenadas fixas . Por exemplo, um acelerômetro em repouso na superfície da Terra medirá uma aceleração devida à gravidade da Terra , diretamente para cima (por definição) de g ≈ 9,81 m / s 2 . Em contraste, os acelerômetros em queda livre (caindo em direção ao centro da Terra a uma taxa de cerca de 9,81 m / s 2 ) medem zero.

Os acelerômetros têm muitos usos na indústria e na ciência. Acelerômetros altamente sensíveis são usados ​​em sistemas de navegação inercial para aeronaves e mísseis. A vibração em máquinas rotativas é monitorada por acelerômetros. Eles são usados ​​em tablets e câmeras digitais para que as imagens nas telas sejam sempre exibidas na vertical. Em veículos aéreos não tripulados , os acelerômetros ajudam a estabilizar o vôo.

Quando dois ou mais acelerômetros são coordenados um com o outro, eles podem medir diferenças na aceleração adequada, particularmente a gravidade, sobre sua separação no espaço - isto é, o gradiente do campo gravitacional . A gradiometria de gravidade é útil porque a gravidade absoluta é um efeito fraco e depende da densidade local da Terra, que é bastante variável.

Acelerômetros de eixo único e múltiplo podem detectar a magnitude e a direção da aceleração adequada, como uma quantidade vetorial , e podem ser usados ​​para detectar a orientação (porque a direção do peso muda), coordenar a aceleração, vibração, choque e queda em um meio resistivo (um caso em que a aceleração adequada muda, aumentando de zero). Os acelerômetros de sistemas microeletromecânicos micromaquinados (MEMS) estão cada vez mais presentes em dispositivos eletrônicos portáteis e controladores de videogame, para detectar mudanças nas posições desses dispositivos.

Princípios físicos

Um acelerômetro mede a aceleração adequada , que é a aceleração que ele experimenta em relação à queda livre e é a aceleração sentida por pessoas e objetos. Dito de outra forma, em qualquer ponto do espaço-tempo, o princípio da equivalência garante a existência de um referencial inercial local , e um acelerômetro mede a aceleração em relação a esse referencial. Essas acelerações são popularmente denotadas como força-g ; ou seja, em comparação com a gravidade padrão .

Um acelerômetro em repouso em relação à superfície da Terra indicará aproximadamente 1 g para cima porque a superfície da Terra exerce uma força normal para cima em relação à estrutura inercial local (a estrutura de um objeto em queda livre perto da superfície). Para obter a aceleração devida ao movimento em relação à Terra, este "deslocamento da gravidade" deve ser subtraído e as correções feitas para os efeitos causados ​​pela rotação da Terra em relação ao referencial inercial.

A razão para o aparecimento de um deslocamento gravitacional é o princípio de equivalência de Einstein , que afirma que os efeitos da gravidade em um objeto são indistinguíveis da aceleração. Quando mantido fixo em um campo gravitacional, por exemplo, aplicando uma força de reação do solo ou um empuxo ascendente equivalente, o quadro de referência para um acelerômetro (seu próprio invólucro) acelera para cima em relação a um quadro de referência em queda livre. Os efeitos desta aceleração são indistinguíveis de qualquer outra aceleração experimentada pelo instrumento, de modo que um acelerômetro não pode detectar a diferença entre sentar em um foguete na plataforma de lançamento e estar no mesmo foguete no espaço profundo enquanto usa seus motores para acelerar em 1 g. Por razões semelhantes, um acelerômetro lerá zero durante qualquer tipo de queda livre . Isso inclui o uso em uma espaçonave costeira no espaço profundo longe de qualquer massa, uma espaçonave orbitando a Terra, um avião em arco parabólico "zero-g" ou qualquer queda livre no vácuo. Outro exemplo é a queda livre a uma altitude suficientemente elevada para que os efeitos atmosféricos possam ser desprezados.

No entanto, isso não inclui uma queda (não livre) em que a resistência do ar produz forças de arrasto que reduzem a aceleração até que a velocidade terminal constante seja alcançada. Na velocidade terminal, o acelerômetro indicará 1 g de aceleração para cima. Pela mesma razão, um paraquedista , ao atingir a velocidade terminal, não se sente como se estivesse em "queda livre", mas experimenta uma sensação semelhante a estar apoiado (a 1 g) em uma "cama" de ar ascendente .

A aceleração é quantificada na unidade SI metros por segundo por segundo (m / s 2 ), na unidade cgs gal (Gal), ou popularmente em termos de gravidade padrão ( g ).

Para o propósito prático de encontrar a aceleração de objetos em relação à Terra, como para uso em um sistema de navegação inercial , é necessário um conhecimento da gravidade local. Isso pode ser obtido calibrando o dispositivo em repouso ou a partir de um modelo conhecido de gravidade na posição atual aproximada.

Estrutura

Conceitualmente, um acelerômetro é uma massa amortecida, uma massa de prova , em uma mola. Quando o acelerômetro experimenta uma aceleração, a massa é movida para o ponto em que a mola pode empurrar (acelerar) a massa na mesma velocidade que o invólucro. A medição da compressão da mola mede a aceleração. O sistema é amortecido para que as oscilações (sacudidelas) da massa e da mola não afetem as medições necessárias. Por causa do amortecimento, os acelerômetros sempre respondem de maneiras diferentes a diferentes frequências de aceleração. Isso é chamado de "resposta de frequência".

Muitos animais possuem órgãos sensoriais para detectar a aceleração, especialmente a gravidade. Nestes, a massa de prova é geralmente um ou mais cristais de otólitos de carbonato de cálcio (latim para "pedra do ouvido") ou estatocônios , agindo contra uma camada de fios de cabelo conectada a neurônios. Os cabelos formam as molas, com os neurônios como sensores. O amortecimento é geralmente por um fluido. Muitos vertebrados, incluindo humanos, têm essas estruturas em seus ouvidos internos. A maioria dos invertebrados possui órgãos semelhantes, mas não como parte dos órgãos auditivos. Eles são chamados de estatocistos .

Acelerômetros mecânicos são freqüentemente projetados de modo que um circuito eletrônico detecte uma pequena quantidade de movimento e, em seguida, empurre a massa de prova com algum tipo de motor linear para evitar que a massa de prova se mova para longe. O motor pode ser um eletroímã ou em acelerômetros muito pequenos, eletrostáticos . Uma vez que o comportamento eletrônico do circuito pode ser cuidadosamente projetado e a massa de prova não se move muito, esses projetos podem ser muito estáveis ​​(ou seja, eles não oscilam ), muito lineares com uma resposta de frequência controlada. (Isso é chamado de design de modo servo .)

Em acelerômetros mecânicos, a medição geralmente é elétrica, piezoelétrica , piezoresistiva ou capacitiva . Acelerômetros piezoelétricos usam sensores piezocerâmicos (por exemplo, titanato de zirconato de chumbo ) ou monocristais (por exemplo , quartzo , turmalina ). Eles são incomparáveis ​​em medições de alta frequência, baixo peso embalado e resistência a altas temperaturas. Os acelerômetros piezoresistivos resistem melhor ao choque (acelerações muito altas). Acelerômetros capacitivos normalmente usam um elemento sensor microusinado de silício. Eles medem bem as frequências baixas.

Os acelerômetros mecânicos modernos são geralmente pequenos sistemas microeletromecânicos ( MEMS ), e muitas vezes são dispositivos MEMS muito simples, consistindo em pouco mais do que um feixe cantilever com uma massa de prova (também conhecida como massa sísmica ). O amortecimento resulta do gás residual selado no dispositivo. Contanto que o fator Q não seja muito baixo, o amortecimento não resulta em uma sensibilidade mais baixa.

Sob a influência de acelerações externas, a massa de prova desvia de sua posição neutra. Essa deflexão é medida de forma analógica ou digital. Mais comumente, a capacitância entre um conjunto de feixes fixos e um conjunto de feixes anexados à massa de prova é medida. Este método é simples, confiável e barato. Integrar piezoresistores nas molas para detectar a deformação da mola e, portanto, a deflexão, é uma boa alternativa, embora mais algumas etapas do processo sejam necessárias durante a sequência de fabricação. Para sensibilidades muito altas, o tunelamento quântico também é usado; isso requer um processo dedicado, o que o torna muito caro. A medição óptica foi demonstrada em dispositivos de laboratório.

Outro acelerômetro baseado em MEMS é um acelerômetro térmico (ou convectivo ). Ele contém um pequeno aquecedor em uma cúpula muito pequena. Isso aquece o ar ou outro fluido dentro da cúpula. A bolha térmica atua como a massa de prova . Um sensor de temperatura que acompanha (como um termistor ; ou termopilha ) na cúpula mede a temperatura em um local da cúpula. Isso mede a localização da bolha aquecida dentro da cúpula. Quando a cúpula é acelerada, o fluido mais frio e de alta densidade empurra a bolha aquecida. A temperatura medida muda. A medição da temperatura é interpretada como aceleração. O fluido fornece o amortecimento. A ação da gravidade sobre o fluido fornece a mola. Como a massa de prova é um gás muito leve e não é mantida por um feixe ou alavanca, os acelerômetros térmicos podem sobreviver a choques elevados . Outra variação usa um fio para aquecer o gás e detectar a mudança de temperatura. A mudança de temperatura altera a resistência do fio. Um acelerômetro bidimensional pode ser construído economicamente com uma cúpula, uma bolha e dois dispositivos de medição.

A maioria dos acelerômetros micromecânicos opera no plano , ou seja, eles são projetados para serem sensíveis apenas a uma direção no plano da matriz . Integrando dois dispositivos perpendicularmente em uma única matriz, um acelerômetro de dois eixos pode ser feito. Adicionando outro dispositivo fora do plano , três eixos podem ser medidos. Essa combinação pode ter um erro de desalinhamento muito menor do que três modelos discretos combinados após o empacotamento.

Acelerômetros micromecânico estão disponíveis em uma ampla variedade de faixas de medição, chegando a milhares de g ' s. O projetista deve se comprometer entre a sensibilidade e a aceleração máxima que pode ser medida.

Formulários

Engenharia

Os acelerômetros podem ser usados ​​para medir a aceleração do veículo. Os acelerômetros podem ser usados ​​para medir a vibração em carros, máquinas, edifícios, sistemas de controle de processo e instalações de segurança. Eles também podem ser usados ​​para medir a atividade sísmica , inclinação, vibração da máquina, distância dinâmica e velocidade com ou sem a influência da gravidade. Os aplicativos para acelerômetros que medem a gravidade, em que um acelerômetro é especificamente configurado para uso em gravimetria , são chamados de gravímetros .

Notebooks equipados com acelerômetros podem contribuir para o Quake-Catcher Network (QCN), um projeto do BOINC voltado para pesquisas científicas sobre terremotos.

Biologia

Os acelerômetros também são cada vez mais usados ​​nas ciências biológicas. Gravações de alta frequência de aceleração biaxial ou tri-axial permitem a discriminação de padrões de comportamento enquanto os animais estão fora de vista. Além disso, os registros de aceleração permitem que os pesquisadores quantifiquem a taxa na qual um animal está gastando energia na natureza, seja pela determinação da frequência de braçada de membros ou medidas como a aceleração corporal dinâmica geral. Essas abordagens têm sido adotadas principalmente por cientistas marinhos devido a um incapacidade de estudar animais na natureza usando observações visuais; no entanto, um número crescente de biólogos terrestres está adotando abordagens semelhantes. Por exemplo, acelerômetros têm sido usados ​​para estudar o gasto de energia de vôo do gavião- harris ( Parabuteo unicinctus ). Os pesquisadores também estão usando acelerômetros de smartphones para coletar e extrair descritores mecanobiológicos de exercícios de resistência. Cada vez mais, os pesquisadores estão implantando acelerômetros com tecnologia adicional, como câmeras ou microfones, para entender melhor o comportamento animal na natureza (por exemplo, o comportamento de caça do lince canadense ).

Indústria

Os acelerômetros também são usados ​​para monitorar a saúde das máquinas para relatar a vibração e suas mudanças no tempo dos eixos nos rolamentos de equipamentos rotativos, como turbinas, bombas , ventiladores, rolos, compressores ou falha de rolamento que, se não tratada prontamente, pode levar para reparos caros. Os dados de vibração do acelerômetro permitem que o usuário monitore as máquinas e detecte essas falhas antes que o equipamento rotativo falhe completamente.

Monitoramento predial e estrutural

Os acelerômetros são usados ​​para medir o movimento e a vibração de uma estrutura exposta a cargas dinâmicas. Cargas dinâmicas se originam de uma variedade de fontes, incluindo:

  • Atividades humanas - caminhar, correr, dançar ou pular
  • Máquinas de trabalho - dentro de um edifício ou na área circundante
  • Obras de construção - cravação de estacas, demolição, perfuração e escavação
  • Movendo cargas em pontes
  • Colisões de veículos
  • Cargas de impacto - queda de detritos
  • Cargas de concussão - explosões internas e externas
  • Colapso de elementos estruturais
  • Cargas de vento e rajadas de vento
  • Pressão de jato de ar
  • Perda de suporte devido a falha de aterramento
  • Terremotos e tremores secundários

Em aplicações estruturais, medir e registrar como uma estrutura responde dinamicamente a essas entradas é fundamental para avaliar a segurança e a viabilidade de uma estrutura. Este tipo de monitoramento é denominado Monitoramento de Saúde, que geralmente envolve outros tipos de instrumentos, como sensores de deslocamento -Potenciômetros, LVDTs, etc.- sensores de deformação -Dimensões, Extensômetros-, sensores de carga -Células de carga, Sensores Piezoelétricos- entre outros.

Aplicações médicas

O AED Plus da Zoll usa CPR-D • padz, que contém um acelerômetro para medir a profundidade das compressões torácicas de RCP.

Nos últimos anos, várias empresas produziram e comercializaram relógios esportivos para corredores que incluem sensores de pé , contendo acelerômetros para ajudar a determinar a velocidade e a distância para o corredor que usa a unidade.

Na Bélgica, contadores de passos baseados em acelerômetros são promovidos pelo governo para encorajar as pessoas a dar alguns milhares de passos por dia.

O Herman Digital Trainer usa acelerômetros para medir a força de ataque no treinamento físico.

Foi sugerido construir capacetes de futebol com acelerômetros para medir o impacto de colisões de cabeça.

Os acelerômetros têm sido usados ​​para calcular os parâmetros da marcha, como a fase de apoio e balanço. Este tipo de sensor pode ser usado para medir ou monitorar pessoas.

Navegação

Um sistema de navegação inercial é um auxílio à navegação que usa um computador e sensores de movimento (acelerômetros) para calcular continuamente via cálculo morto a posição, orientação e velocidade (direção e velocidade do movimento) de um objeto em movimento sem a necessidade de referências externas. Outros termos usados ​​para se referir a sistemas de navegação inercial ou dispositivos intimamente relacionados incluem sistema de orientação inercial, plataforma de referência inercial e muitas outras variações.

Um acelerômetro sozinho não é adequado para determinar mudanças na altitude em distâncias onde a diminuição vertical da gravidade é significativa, como para aeronaves e foguetes. Na presença de um gradiente gravitacional, o processo de calibração e redução de dados é numericamente instável.

Transporte

Os acelerômetros são usados ​​para detectar apogeu em foguetes profissionais e amadores.

Os acelerômetros também estão sendo usados ​​em rolos de compactação inteligente. Os acelerômetros são usados ​​junto com giroscópios em sistemas de navegação inercial.

Um dos usos mais comuns para acelerômetros MEMS é em sistemas de implantação de airbag para automóveis modernos. Nesse caso, os acelerômetros são usados ​​para detectar a rápida aceleração negativa do veículo para determinar quando ocorreu uma colisão e a gravidade da colisão. Outro uso automotivo comum é em sistemas de controle eletrônico de estabilidade , que usam um acelerômetro lateral para medir as forças nas curvas. O uso generalizado de acelerômetros na indústria automotiva reduziu drasticamente seus custos . Outra aplicação automotiva é o monitoramento de ruído, vibração e aspereza (NVH), condições que causam desconforto para motoristas e passageiros e também podem ser indicadores de falhas mecânicas.

Os trens de inclinação usam acelerômetros e giroscópios para calcular a inclinação necessária.

Vulcanologia

Acelerômetros eletrônicos modernos são usados ​​em dispositivos de sensoriamento remoto destinados ao monitoramento de vulcões ativos para detectar o movimento do magma .

Eletrônicos de consumo

Os acelerômetros estão cada vez mais sendo incorporados em dispositivos eletrônicos pessoais para detectar a orientação do dispositivo, por exemplo, uma tela de exibição.

Um sensor de queda livre (FFS) é um acelerômetro usado para detectar se um sistema caiu e caiu. Ele pode então aplicar medidas de segurança, como estacionar a cabeça de um disco rígido para evitar uma colisão com a cabeça e a perda de dados resultante com o impacto. Este dispositivo está incluído em muitos computadores comuns e produtos eletrônicos de consumo produzidos por diversos fabricantes. Também é usado em alguns registradores de dados para monitorar as operações de manuseio de contêineres de transporte . O tempo em queda livre é usado para calcular a altura de queda e estimar o choque na embalagem.

Entrada de movimento

Acelerômetro digital de três eixos da Kionix , dentro do Motorola Xoom

Alguns smartphones , reprodutores de áudio digital e assistentes digitais pessoais contêm acelerômetros para controle da interface do usuário; frequentemente, o acelerômetro é usado para apresentar visualizações de paisagem ou retrato da tela do dispositivo, com base na maneira como o dispositivo está sendo segurado. A Apple incluiu um acelerômetro em todas as gerações de iPhone , iPad e iPod touch , bem como em todos os iPod nano desde a 4ª geração. Junto com o ajuste da visão de orientação, os acelerômetros em dispositivos móveis também podem ser usados ​​como pedômetros , em conjunto com aplicativos especializados .

Os sistemas de Notificação Automática de Colisão (ACN) também usam acelerômetros em um sistema para pedir ajuda em caso de acidente de veículo. Os sistemas ACN proeminentes incluem o serviço OnStar AACN, o Ford Link 911 Assist , o Toyota's Safety Connect , o Lexus Link ou o BMW Assist . Muitos smartphones equipados com acelerômetro também têm o software ACN disponível para download. Os sistemas ACN são ativados através da detecção de acelerações de força de colisão.

Os acelerômetros são usados ​​em sistemas eletrônicos de controle de estabilidade do veículo para medir o movimento real do veículo. Um computador compara o movimento real do veículo com a direção e o acelerador do motorista. O computador de controle de estabilidade pode travar seletivamente as rodas individuais e / ou reduzir a potência do motor para minimizar a diferença entre a entrada do motorista e o movimento real do veículo. Isso pode ajudar a evitar que o veículo vire ou capote.

Alguns pedômetros usam um acelerômetro para medir com mais precisão o número de passos dados e a distância percorrida do que um sensor mecânico pode fornecer.

O console de videogame Wii da Nintendo usa um controlador chamado Wii Remote que contém um acelerômetro de três eixos e foi projetado principalmente para entrada de movimento. Os usuários também têm a opção de comprar um acessório adicional sensível ao movimento, o Nunchuk , para que a entrada de movimento possa ser gravada de ambas as mãos do usuário de forma independente. Também é usado no console Nintendo 3DS .

O Sony PlayStation 3 usa o controle remoto DualShock 3 que usa um acelerômetro de três eixos que pode ser usado para tornar a direção mais realista em jogos de corrida, como MotorStorm e Burnout Paradise .

O Nokia 5500 sport possui um acelerômetro 3D que pode ser acessado a partir do software. É usado para reconhecimento de etapas (contagem) em um aplicativo de esporte e para reconhecimento de gestos de toque na interface do usuário. Os gestos de toque podem ser usados ​​para controlar o reprodutor de música e o aplicativo de esporte, por exemplo, para mudar para a próxima música tocando nas roupas quando o dispositivo está no bolso. Outros usos do acelerômetro em telefones Nokia incluem a funcionalidade Pedômetro no Nokia Sports Tracker . Alguns outros dispositivos fornecem o recurso de detecção de inclinação com um componente mais barato, que não é um verdadeiro acelerômetro.

Os despertadores da fase de sono utilizam sensores acelerométricos para detectar o movimento de uma pessoa adormecida, de forma que possa acordar a pessoa quando ela não está na fase REM, a fim de despertar a pessoa com mais facilidade.

Gravação de som

Um microfone ou tímpano é uma membrana que responde às oscilações da pressão do ar. Essas oscilações causam aceleração, portanto, os acelerômetros podem ser usados ​​para gravar o som. Um estudo de 2012 descobriu que as vozes podem ser detectadas por acelerômetros de smartphones em 93% das situações diárias típicas.

Por outro lado, sons cuidadosamente projetados podem fazer com que acelerômetros relatem dados falsos. Um estudo testou 20 modelos de acelerômetros de smartphone (MEMS) e descobriu que a maioria era suscetível a esse ataque.

Sensor de orientação

Vários dispositivos do século 21 usam acelerômetros para alinhar a tela, dependendo da direção em que o dispositivo é segurado (por exemplo, alternando entre os modos retrato e paisagem ). Esses dispositivos incluem muitos tablets e alguns smartphones e câmeras digitais . O Amida Simputer , um dispositivo portátil Linux lançado em 2004, foi o primeiro portátil comercial a ter um acelerômetro embutido. Ele incorporou muitas interações baseadas em gestos usando este acelerômetro, incluindo virada de página, zoom-in e zoom-out de imagens, mudança de retrato para modo paisagem e muitos jogos simples baseados em gestos.

Em janeiro de 2009, quase todos os novos telefones celulares e câmeras digitais contêm pelo menos um sensor de inclinação e, às vezes, um acelerômetro para fins de rotação automática de imagem, minijogos sensíveis ao movimento e correção de tremido ao tirar fotos.

Estabilização de imagem

As câmeras de vídeo usam acelerômetros para estabilização de imagem , seja movendo elementos ópticos para ajustar o caminho da luz até o sensor para cancelar movimentos indesejados ou deslocando digitalmente a imagem para suavizar o movimento detectado. Algumas câmeras fotográficas usam acelerômetros para captura anti-tremido. A câmera retarda a captura da imagem quando a câmera está em movimento. Quando a câmera está parada (mesmo que apenas por um milissegundo, como poderia ser o caso da vibração), a imagem é capturada. Um exemplo da aplicação desta tecnologia é o Glogger VS2, um aplicativo de telefone que roda em telefones baseados em Symbian com acelerômetros como o Nokia N96 . Algumas câmeras digitais contêm acelerômetros para determinar a orientação da foto que está sendo tirada e também para girar a imagem atual durante a visualização.

Integridade do dispositivo

Muitos laptops possuem um acelerômetro que é usado para detectar quedas. Se uma queda for detectada, os cabeçotes do disco rígido serão estacionados para evitar perda de dados e possível dano ao cabeçote ou disco pelo choque resultante .

Gravimetria

Um gravímetro ou gravitômetro, é um instrumento usado em gravimetria para medir o campo gravitacional local . Um gravímetro é um tipo de acelerômetro, exceto que os acelerômetros são suscetíveis a todas as vibrações, incluindo ruído , que causam acelerações oscilatórias. Isso é neutralizado no gravímetro por isolamento de vibração integral e processamento de sinal . Embora o princípio essencial do projeto seja o mesmo dos acelerômetros, os gravímetros são normalmente projetados para serem muito mais sensíveis do que os acelerômetros, a fim de medir mudanças muito pequenas na gravidade da Terra , de 1 g . Em contraste, outros acelerômetros são freqüentemente projetados para medir 1000 g ou mais, e muitos realizam medições multiaxiais. As restrições na resolução temporal são geralmente menores para gravímetros, de modo que a resolução pode ser aumentada processando a saída com uma "constante de tempo" mais longa.

Tipos de acelerômetro

Explorações e questões de privacidade

Os dados do acelerômetro, que podem ser acessados ​​por aplicativos de terceiros sem a permissão do usuário em muitos dispositivos móveis, foram usados ​​para inferir informações valiosas sobre os usuários com base nos padrões de movimento registrados (por exemplo, comportamento ao dirigir, nível de intoxicação, idade, sexo, tela sensível ao toque entradas, localização geográfica). Se feito sem o conhecimento ou consentimento do usuário, isso é conhecido como um ataque de inferência . Além disso, milhões de smartphones podem ser vulneráveis ​​a cracking de software por meio de acelerômetros.

Veja também

Referências