Um acelerômetro é um sensor que, acoplado a um móvel ou a qualquer outro objeto, permite medir a aceleração linear não gravitacional deste último. Falamos de acelerômetro mesmo quando na verdade são 3 acelerômetros que calculam as acelerações lineares de acordo com 3 eixos ortogonais.
Por outro lado, quando buscamos detectar uma rotação ou velocidade angular, falamos de girômetro . De forma mais geral, falamos de uma unidade de inércia quando procuramos medir todas as 6 acelerações.
Embora a aceleração linear seja definida em m / s 2 ( SI ), a maioria da documentação sobre esses sensores expressa em aceleração "g" (aproximadamente 9,81 m / s 2 ) (como aquela causada pela gravitação da Terra).
Um acelerômetro pode ser esquematizado por um sistema massa-mola . Consideremos este diagrama ao lado: em equilíbrio, a posição x da massa m será a referência, portanto x = 0. Se o suporte sofrer uma aceleração vertical, para cima, duas coisas acontecerão: este suporte irá se mover para cima por um lado e, por causa da inércia da massa m , este tenderá a ficar em sua posição inicial , forçando a mola para comprimir, por outro lado. O valor x será tanto maior quanto maior for a aceleração aplicada ao suporte.
Podemos mostrar usando o princípio fundamental da dinâmica para um sistema não-amortecida (e por considerar o sistema horizontalmente, de modo que não levam em conta o peso) :, com a aceleração da massa m e x a posição do suporte ( com respeito a um quadro de referência galileu ).
Parece claramente que essa aceleração é proporcional ax . Medindo simplesmente o deslocamento da massa m em relação ao seu suporte, podemos saber a aceleração sofrida por este.
O princípio da maioria dos acelerômetros é baseado na lei fundamental da dinâmica :
F = m acom
Mais precisamente, consiste na igualdade entre a força de inércia da massa sísmica do sensor e uma força restauradora aplicada a essa massa. Existem duas famílias principais de acelerômetros: acelerômetros não servo e acelerômetros servo.
Em sensores do tipo não escravos (malha aberta), a aceleração é medida por sua imagem "direta": o deslocamento da massa sísmica (massa de força ou mesmo massa de teste) do sensor para atingir a igualdade entre a força restauradora e sua força de inércia.
Existem acelerômetros não servo comercializados que podem ser encontrados diretamente no mercado:
Da mesma forma, existem aqueles não comercializados, como:
Certos cristais ( quartzo , sal de Seignette ) e certas cerâmicas têm a propriedade de serem eletricamente carregados quando sujeitos à deformação. Por outro lado, eles são deformados se forem eletricamente carregados, o fenômeno é reversível. O cristal carrega em duas faces opostas quando sujeito a uma força exercida entre essas duas faces. Uma metalização das faces permite coletar uma tensão elétrica que pode ser usada em um circuito.
Para acelerômetros servo-controlados, a aceleração é medida na saída de um loop de feedback (servo-controle) que compreende um corretor do tipo PI (Proporcional Integral: tipo de corretor que melhora a precisão). Um sensor de detecção de deslocamento (tipo não controlado por servo) permite a medição de aceleração imediata. É o valor de entrada do nosso loop servo. Na saída desse loop, a aceleração é obtida pela leitura da energia necessária para a força restauradora permitindo o retorno da massa sísmica à sua posição inicial.
Nas unidades inerciais , para uma aplicação em orientação , geralmente utilizada na aeronáutica ou na astronáutica , este tipo de tecnologia é geralmente preferido. Na verdade, os móveis têm uma certa massa e seu centro de gravidade sofre vibrações de frequência relativamente baixa, da ordem de 0 a 10 Hz . Isso, portanto, permite o uso de sensores servo-controlados.
Estes são classificados de acordo com sua força restauradora, que pode ser do tipo eletromagnético ou eletrostático. Ou dependendo do tipo de detecção, que pode ser capacitiva, indutiva ou óptica.
Em 2018, o Imperial College London lançou um acelerômetro quântico . O sistema é baseado na medição das propriedades das ondas quânticas emitidas pelos átomos durante as acelerações, o que permite deduzir o deslocamento e, portanto, a posição, em relação ao tempo. O funcionamento é semelhante ao dos acelerômetros convencionais, mas ao mesmo tempo muito mais sensível e preciso.
O sistema usa lasers para resfriar os átomos a temperaturas extremamente baixas, o que requer espaço.
Além das características clássicas dos sensores , o acelerômetro pode ser caracterizado pelos seguintes dados:
Todas essas características interagem e caracterizam um princípio, uma tecnologia ou um processo de fabricação.
As aplicações deste sensor são muito diversas:
No entanto, eles são geralmente classificados em três categorias amplas:
Os choques são acelerações de amplitude muito forte. Por exemplo, um objeto que cai de uma altura de 20 cm em uma folha de aço de 5 cm de espessura é submetido a uma aceleração de 8.000 g no impacto, e em um caderno de 50 páginas de espessura é submetido a uma aceleração de apenas 90 g .
Estas são acelerações muito curtas e, portanto, requerem um sensor de largura de banda geralmente variando de 0 a 100 kHz .
A precisão necessária para essas medições é da ordem de 1% da escala de medição do sensor .
Os sensores comumente associados a este tipo de aplicação são acelerômetros de deslocamento não controlados e, mais precisamente:
Exemplos:
As acelerações vibratórias são consideradas acelerações de nível médio (geralmente em torno de cem g). Eles exigem um sensor com largura de banda de até 10 kHz e uma precisão de cerca de 1% da escala de medição do sensor.
Os acelerômetros utilizados, do tipo não escravo, são:
Exemplos:
As acelerações móveis são baixas. Por exemplo, a aceleração máxima adotada para o " Rafale " é de 9 g . Essas acelerações não excedem algumas dezenas de hertz. Por outro lado, a precisão necessária pode ser importante. Varia de 0,01% a 2% da escala de medição do sensor.
Os acelerômetros usados são:
Exemplo:
Desde a fase de desenvolvimento dos acelerômetros MEMS , de 1975 a 1985, o acelerômetro experimentou um "boom" em seus usos. De fato, passou de 24 milhões de vendas em 1996 para 90 milhões em 2002. Quanto ao preço, continua diminuindo para MEMS . Com a recente chegada dos acelerômetros NEMS , essa onipresença do acelerômetro em vários produtos de “consumo” é cada vez mais atual.
Unidades inerciais com 6 acelerações, como no iPhone 4, consomem mais energia e geralmente são menos sensíveis do que uma unidade reduzida a 3 acelerômetros lineares apenas como em muitos telefones celulares, incluindo o iPhone 3GS , ou mesmo 2 para um. Console de jogos como o WII , ou mesmo uma única dimensão para parar um disco rígido em caso de queda de um laptop ( ThinkPad ).
Em relógios esportivos:
Para a medição de um gesto esportivo ou cotidiano:
Em câmeras e câmeras:
Em ultra-portátil, PDA, etc. :
Por celular:
Em videogames:
Em telefonia: Devido à convergência de tecnologias, os acelerômetros são usados para combinar a maioria das funções descritas acima.
Em veículos de transporte: