Un accelerometru este un senzor care, atașat la un dispozitiv mobil sau la orice alt obiect, face posibilă măsurarea accelerației liniare non-gravitaționale a acestuia. Vorbim despre un accelerometru chiar și atunci când sunt de fapt 3 accelerometre care calculează accelerațiile liniare în funcție de 3 axe ortogonale.
Pe de altă parte, atunci când încercăm să detectăm o rotație sau o viteză unghiulară, vorbim despre un girometru . Mai general, vorbim despre o unitate de inerție atunci când încercăm să măsurăm toate cele 6 accelerații.
Deși accelerația liniară este definită în m / s 2 ( SI ), majoritatea documentației referitoare la acești senzori exprimă în „g” (aproximativ 9,81 m / s 2 ) accelerația (ca cea cauzată de gravitația pământului).
Un accelerometru poate fi schematizat printr-un sistem cu arc de masă . Să considerăm această diagramă opusă: la echilibru, poziția x a masei m va fi referința, deci x = 0. Dacă suportul suferă o accelerație verticală, în sus, vor avea loc două lucruri: acest suport se va deplasa în sus pe de o parte și, din cauza inerției masei m , acesta va tinde să rămână în poziția sa inițială , forțând arcul a comprima pe de altă parte. Valoarea x va fi cu atât mai mare cu cât accelerarea aplicată suportului va fi mai mare.
Putem arăta folosind principiul fundamental al dinamicii pentru un sistem neamortizat (și luând în considerare sistemul pe orizontală, astfel încât să nu luăm în considerare greutatea):, cu accelerația masei m și x poziția suportului ( cu privire la un cadru de referință galilean ).
Se pare clar că această accelerație este proporțională cu x . Prin simpla măsurare a deplasării masei m față de suportul ei, putem cunoaște accelerația suferită de acesta din urmă.
Principiul majorității accelerometrelor se bazează pe legea fundamentală a dinamicii :
F = m acu
Mai precis, constă în egalitatea dintre forța de inerție a masei seismice a senzorului și o forță de refacere aplicată acestei mase. Există două familii principale de accelerometre: accelerometre non-servo și servo accelerometre.
La senzorii de tip non-slav (buclă deschisă), accelerația este măsurată prin imaginea sa „directă”: deplasarea masei seismice (masa forței sau chiar masa de testare) a senzorului pentru a atinge egalitatea dintre forța de refacere și forța sa de inerţie.
Există pe piață accelerometre non-servo care pot fi găsite direct pe piață:
La fel, există și cele care nu sunt comercializate, cum ar fi:
Anumite cristale ( cuarț , sare Seignette ) și anumite ceramice au proprietatea de a fi încărcate electric atunci când sunt supuse deformării. În schimb, sunt deformate dacă sunt încărcate electric, fenomenul este reversibil. Cristalele se încarcă pe două fețe opuse cu sarcini opuse atunci când sunt supuse unei forțe exercitate între aceste două fețe. O metalizare a fețelor face posibilă colectarea unei tensiuni electrice care poate fi utilizată într-un circuit.
Pentru accelerometre servo-controlate, accelerația este măsurată la ieșirea unei bucle de feedback (servo-control) care cuprinde un corector de tip PI (Integral proporțional: tip de corector care îmbunătățește precizia). Un senzor de detectare a deplasării (tip non-servo) permite măsurarea accelerării imediate. Este valoarea de intrare a buclei noastre servo. La ieșirea din această buclă, accelerația se obține citind energia necesară forței de refacere permițând revenirea masei seismice la poziția sa inițială.
În unitățile inerțiale , pentru o aplicație în ghidare , utilizată în general în aeronautică sau în astronautică , acest tip de tehnologie este în general favorizat. Într-adevăr, telefoanele mobile au o anumită masă, iar centrul lor de greutate suferă vibrații de frecvență relativ scăzută, de ordinul 0-10 Hz . Prin urmare, acest lucru permite utilizarea senzorilor servo-controlați.
Acestea sunt clasificate în funcție de forța lor de refacere, care poate fi de tip electromagnetic sau electrostatic. Sau în funcție de tipul lor de detecție, care poate fi capacitiv, inductiv sau optic.
În 2018, Imperial College London a introdus un accelerometru cuantic . Sistemul se bazează pe măsurarea proprietăților undelor cuantice livrate de atomi în timpul accelerațiilor, ceea ce face posibilă deducerea deplasării și, prin urmare, a poziției, în raport cu timpul. Funcționarea este similară cu cea a accelerometrelor convenționale, dar fiind mult mai sensibilă și mai precisă.
Sistemul folosește lasere pentru a răci atomii la temperaturi extrem de scăzute, ceea ce necesită spațiu.
În plus față de caracteristicile clasice ale senzorilor , accelerometrul poate fi caracterizat prin următoarele date:
Toate aceste caracteristici interacționează și caracterizează un principiu, o tehnologie sau un proces de fabricație.
Aplicațiile acestui senzor sunt foarte diverse:
Cu toate acestea, ele sunt clasificate în general în trei mari categorii:
Șocurile sunt accelerații de amplitudine foarte puternică. De exemplu, un obiect care cade de la o înălțime de 20 cm pe o foaie de oțel de 5 cm grosime este supus unei accelerații de 8000 g la impact, iar pe un caiet de 50 de pagini de grosime este supus unei accelerații de numai 90 g .
Acestea sunt accelerații foarte scurte și, prin urmare, necesită un senzor de lățime de bandă, în general cuprins între 0 și 100 kHz .
Precizia necesară pentru aceste măsurători este de ordinul a 1% din scara de măsurare a senzorului .
Senzorii asociați în mod obișnuit cu acest tip de aplicație sunt accelerometre de deplasare necontrolate și mai precis:
Exemple:
Accelerările vibraționale sunt considerate a fi accelerații de nivel mediu (în general în jur de o sută de g). Acestea necesită un senzor cu o lățime de bandă de până la 10 kHz și o precizie de aproximativ 1% din scara de măsurare a senzorului.
Accelerometrele utilizate, de tip non-slave, sunt:
Exemple:
Accelerațiile mobile sunt scăzute. De exemplu, accelerația maximă adoptată pentru „ Rafale ” este de 9 g . Aceste accelerații nu depășesc câteva zeci de hertz. Pe de altă parte, precizia necesară poate fi importantă. Acesta variază de la 0,01% la 2% din scara de măsurare a senzorului.
Accelerometrele utilizate sunt:
Exemplu:
De la faza de dezvoltare a accelerometrelor MEMS , din 1975 până în 1985, accelerometrul a cunoscut un „boom” în utilizarea sa. Într-adevăr, a trecut de la 24 de milioane de vânzări în 1996 la 90 de milioane în 2002. În ceea ce privește prețul său, acesta continuă să scadă pentru MEMS . Odată cu sosirea recentă a accelerometrelor NEMS , această omniprezență a accelerometrului în diferite produse „de consum” este din ce în ce mai actuală.
Unitățile inerțiale cu 6 accelerații, la fel ca pe iPhone 4, consumă mai multă energie și sunt adesea mai puțin sensibile decât o unitate redusă la 3 accelerometre liniare doar ca pe multe telefoane mobile, inclusiv iPhone 3GS , sau chiar 2 pentru una. Console de jocuri precum WII , sau chiar o singură dimensiune pentru a opri un hard disk în caz de cădere a unui laptop ( ThinkPad ).
În ceasurile sport:
Pentru măsurarea unui gest sportiv sau de zi cu zi:
În camere și camere:
În ultra-portabil, PDA etc. :
De pe mobil:
În jocurile video:
În telefonie: Datorită convergenței tehnologiilor, accelerometrele sunt utilizate pentru a combina majoritatea funcțiilor descrise mai sus.
În vehiculele de transport: