Sebagian besar smartphone peka terhadap kemiringan, tetapi perangkat apa yang memungkinkan ini terjadi? Selain itu, bagaimana cara kerjanya (dan sensor yang terkait dengannya) bekerja?

Juga, karena kerja sensor-sensor ini tampaknya, hampir pasti, didasarkan pada keberadaan medan gravitasi eksternal (misalnya, bumi), ini menimbulkan pertanyaan kedua: Apakah smartphone mempertahankan sensitivitas tilt-nya di bawah gravitasi nol (hipotetis) kondisi?

(Baru-baru ini memainkan game simulator pesawat di ponsel saya ... fakta bahwa pesawat itu merespon dengan baik untuk memiringkan, membuat saya kaget; karenanya keinginan untuk mengajukan pertanyaan ini)

Ekstra:

Saya memikirkan hal ini sendiri, jadi saya akan menempatkannya di sini juga. Untuk semua maksud dan tujuan, pertanyaan saya berakhir setelah paragraf kedua, tetapi apa yang saya tambahkan setelah ini dapat membantu menyesuaikan jawaban yang sesuai dengan pemahaman saya saat ini tentang fisika.

Saya saat ini di sekolah menengah, dan jika saya ingat dengan benar, ada enam derajat kebebasan untuk sebuah partikel dalam sistem Cartesian 3D. Dari pengalaman saya dengan aplikasi simulator pesawat terbang, smartphone sepertinya mendeteksi gerakan hanya dalam tiga derajat kebebasan: pitch, roll dan yaw

Berbicara tentang sensor yang peka terhadap kemiringan: Cara saya mengasumsikan sensor / transduser ini bekerja, adalah dengan mendeteksi perubahan kecil pada energi potensial gravitasi (yang dapat memanifestasikan dirinya sebagai gerakan skala kecil dari beberapa komponen kecil sensor) yang terkait dengan perubahan telepon dalam orientasi spasial.

Cara saya melihatnya, sensor semacam itu akan membutuhkan bagian yang bergerak , dan tidak bisa hanya menjadi chip lain di papan sirkuit.

Dalam keadaan ini, jika saya ditugaskan membangun perangkat yang peka terhadap kemiringan yang merasakan perubahan kecil pada energi potensial gravitasi, saya mungkin akan memerlukan setidaknya 3 pasang sensor (satu pasang di masing-masing dari tiga sumbu koordinat). Juga, melihat betapa sangat sensitifnya smartphone saya terhadap kemiringan, saya harus membuat perangkat yang sangat besar, dengan masing-masing sensor berpasangan ditempatkan beberapa meter terpisah untuk mencapai sensitivitas kemiringan yang sebanding dengan ponsel saya.

Namun, smartphone memiliki dimensi yang lebih kecil daripada sandwich biasa, sehingga memiliki "sensor berpasangan yang ditempatkan terpisah beberapa meter", selain tidak praktis, jelas tidak demikian.

^ Saya mengomel tentang hal ini, sehingga Anda dapat merasakan kebingungan asli saya dalam sub-pertanyaan berikut:

Kenapa sensor ini sangat sensitif, meskipun ukurannya kecil?

Anda benar, dalam arti tertentu. Sensor-sensor ini memang membutuhkan komponen yang bergerak. Namun, mereka adalah chip di papan Anda.

Tiltsensor (sebenarnya, akselerometer), dan giroskop (dan sensor tekanan, ...) adalah bagian dari keluarga yang disebut MEMS: Sistem mikro-elektromekanis.

Menggunakan teknik yang sama seperti yang sudah umum dalam pembuatan sirkuit terintegrasi, kita dapat membuat perangkat kecil yang menakjubkan. Kami menggunakan proses yang sama untuk menghilangkan benda-benda, menyimpan lapisan baru, menumbuhkan struktur, dll.

Ini adalah perangkat yang sangat kecil. ini adalah contoh giroskop:

tautan ke situs web asli.

Sebagian besar ini bekerja dengan merasakan perubahan kapasitansi. Seekor gyro akan merasakan perubahan karena rotasi (hal besar dalam gambar akan berputar di sekitar sumbu tengah. Ini akan membawa gigi kecil yang saling berdekatan, dan meningkatkan kapasitansi. Akselerometer bekerja dengan prinsip yang sama. Gigi ini dapat terlihat di sudut kanan bawah gambar kedua.

Bagaimana dengan gravitasi nol?

Itu tidak akan banyak berubah dalam hal fungsi perangkat. Soalnya, accelerometer bekerja dengan merasakan akselerasi. Namun kuncinya adalah bahwa gravitasi sama untuk mereka - rasanya seperti Anda dipercepat pada 1G, sepanjang waktu. Mereka menggunakan "konstan" ini untuk mendapatkan ide di mana "turun". Ini juga berarti bahwa sementara chip akan berfungsi dengan baik dalam gravitasi mikro, telepon Anda tidak akan - itu akan bingung karena sepertinya tidak ada "turun".

Tambahan cepat untuk mengatasi titik (sangat bagus) yang dibawa oleh pengguna GreenAsJade: Ketika Anda melihat definisi umum giroskop pada sumber-sumber seperti wikipedia, mereka sering digambarkan sebagai sesuatu di sepanjang baris disk pemintalan. Gambar-gambar di atas tampaknya tidak memiliki bagian yang berputar. Ada apa dengan itu?

Cara mereka mengatasi ini adalah dengan mengganti rotasi dengan getaran . Objek berbentuk cakram dalam gambar di sini hanya terhubung dengan struktur yang sangat tipis dan fleksibel ke poros tengah. Disk ini kemudian dibuat bergetar di sekitar porosnya pada frekuensi tinggi. Saat Anda memindahkan seluruh struktur sepanjang sudut, ini akan menyebabkan cakram mencoba dan terus-menerus menolaknya - mirip dengan giroskop klasik. Efek ini disebut efek Coriolis . Dengan merasakan jumlah kemiringan cakram dibandingkan dengan bahan padat di sekitarnya, ia dapat mengukur seberapa cepat ia berputar.

Perangkat sensorik adalah beban pada pegas. Ini memang "gerakan skala kecil dari beberapa komponen kecil sensor", dan juga "chip lain pada papan sirkuit".

Kata kuncinya di sini adalah MEMS . Adalah mungkin untuk membangun struktur silikon kecil dan kemudian etsa di bawahnya, meninggalkan potongan mengambang bebas. Jika potongan panjang dan tipis, itu akan berubah bentuk di bawah gravitasi (atau percepatan) dengan jumlah yang sebanding dengan modulus Young-nya. Perubahan posisi mempengaruhi kapasitansi antara bagian yang bergerak dan bagian yang diam di sekitarnya, yang dapat diukur secara elektronik.

Umumnya mereka hanya memiliki satu akselerometer tiga sumbu. Presisi yang lebih baik dapat dicapai dengan menambahkan gyro atau akselerometer lain yang dipisahkan oleh jarak; Nintendo melakukan ini dengan add-on Wiimote.

Banyak ponsel juga mengandung magnetometer, yang memberi tahu Anda secara samar di mana magnet utara relatif terhadap ponsel, meskipun kalibrasi cenderung buruk pada ini.

Mengatasi bagian-bagian tertentu dari pertanyaan:

• Apa yang membuat smartphone peka terhadap kemiringan?

Accelerometer MEMS. Beberapa paket chip persegi, dalam jumlah $ 0,50 atau kurang.

• Akankah mereka mempertahankan kemampuan ini dalam kondisi tanpa gravitasi?

Tidak persis. Mereka tidak lagi memiliki vektor referensi yang nyaman. Namun, mereka masih dapat mendeteksi akselerasi, jadi jika Anda memiliki salah satu aplikasi "lightsaber" dan melambaikannya, aplikasi itu akan tetap bekerja di ISS. Tetapi Anda maupun telepon tidak memiliki gagasan yang jelas tentang "naik".

(Kit Raspberry Pi yang dikirim ke sana memiliki accelerometer dan banyak program yang ditulis oleh anak sekolah, jadi hampir pasti ada video yang menunjukkan hal ini di suatu tempat)

Output mentah accelerometer 3-sumbu adalah vektor dari 3 nilai yang diukur dalam m / s ^ 2. Besarnya vektor ini biasanya sekitar 1g, tetapi arahnya bervariasi. Untuk ponsel yang tidak bergerak, ia akan mengarah ke bawah. Jika Anda memindahkannya maka vektor percepatan akan berubah arah. Jika Anda menjatuhkan ponsel, yaitu jatuh bebas sama dengan telepon pada pesawat yang mengorbit, maka besarnya mendekati nol. Ini membuat arah vektor berayun liar dan beralih ke noise.

Penggunaan accelerometer sebagai pendeteksi jatuh untuk keamanan hard disk dipopulerkan sekitar satu dekade yang lalu oleh Macbooks. Orang menemukan kegunaan lain untuk mereka .

• bagaimana cara kerjanya?

Dijawab lebih terinci dengan jawaban lain.

Secara teoritis, ya, telepon atau tablet dapat bekerja dengan baik di katakanlah Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) seperti halnya di sini di lapangan.

Mari kita uraikan ini sedikit.

Ada dua jenis gerakan yang perlu dideteksi perangkat.

Gerak Linier

Akselerometer mandiri menggunakan deviasi massa pegas dari titik istirahat normal sebagai ukuran gaya akselerasi pada sumbu tersebut. Jelas Anda membutuhkan tiga ini untuk mendeteksi gerakan pada sumbu apa pun.

Mengetahui, dan melacak kekuatan-kekuatan itu Anda dapat "memperhitungkan-mati" kecepatan dan arah perjalanan perangkat dari lokasi "nyalakan" aslinya. Faktor dalam jam yang akurat, dan Anda juga dapat mengetahui posisi saat ini.

Kedengarannya sederhana, tetapi matematika sebenarnya cukup kompleks dan kesalahan dalam sistem menyebabkan penyimpangan dari waktu ke waktu.

Rotasi

Rotasi jelas berputar pada sumbu apa pun.

Sensor Putar

Rotasi dapat diukur menggunakan giroskop atau sensor putaran. Perangkat ini lagi-lagi memiliki massa yang digabungkan secara longgar yang bebas untuk berputar, atau didorong, dalam sumbu tertentu. Ketika tubuh perangkat Anda berputar, perbedaan antara rotasi memberitahu Anda seberapa banyak perangkat berputar.

Sensor putaran dan giroskop tidak peduli dengan gravitasi, selain itu mungkin ada beberapa perbedaan gesekan.

Gravitasi Dirujuk Accelerometer

Karena accelerometer mengukur gaya yang bekerja pada massa yang ditangguhkan secara longgar, ketika sensor itu relatif vertikal terhadap bumi, tentu saja akan terjadi defleksi pada pegas karena berat massa karena gravitasi. Offset ini secara matematis dihapus oleh perangkat lunak untuk mengekstraksi bagian akselerasi.

Namun, karena akselerometer tiga sumbu akan menghasilkan offset yang berbeda tergantung pada orientasinya, dimungkinkan untuk mendeteksi putaran secara matematis dari perbedaan offset.

Namun, meskipun metode ini berfungsi, itu tunduk pada varian dalam G. Itu tidak akan bekerja di ruang angkasa. Itu juga akan secara signifikan kurang fungsional dalam pesawat manuver. Bahkan mobil yang berbelok dengan tikungan cepat dengan kecepatan bisa menjadi masalah.

Deteksi Putaran Akselerometer

Adalah mungkin, dengan dua set akselerometer yang cukup sensitif, untuk mendeteksi putaran dari perbedaan akselerasi antara akselerometer.

Karena setiap akselerometer harus bergerak relatif terhadap yang lain, akan ada perbedaan akselerasi pada sumbu tersebut di antara keduanya. Nilai-nilai itu lagi dapat digunakan secara matematis untuk memprediksi putaran.

Sederhananya, jika Anda dapat mengetahui dari accelerometer yang terpusat di salah satu ujung telepon bahwa titik pusat telah pindah ke , dan ujung lainnya sekarang di , menghitung tiga sudut itu sepele.X 2 , Y 2 , Z $X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Metode ini TIDAK terpengaruh oleh gravitasi.

Akankah Ponsel atau Tablet Anda Berfungsi pada ISS

Seperti yang dapat Anda lihat dari atas, itu sangat tergantung pada metode mana yang digunakan perangkat Anda.

Secara teknis dapat dibangun, dan diprogram, untuk melakukannya. Anda mungkin perlu mematikannya dan menyalakannya lagi untuk mengkalibrasi ulang, tetapi dengan sistem yang tepat, itu akan berfungsi dengan baik. Setidaknya untuk memainkan "game simulasi pesawat" itu.

Drift mungkin merupakan masalah yang lebih besar pada ISS. Karena ponsel dalam G normal memiliki kemampuan untuk mengetahui ke arah mana "turun" pada saat tertentu, mereka dapat menyesuaikan kembali dari waktu ke waktu. Unit berbasis ruang akan membutuhkan reset manual sesekali untuk menunjukkan arah "normal".

Semua komentar dan jawaban sangat bagus untuk membantu Anda memahami bagaimana itu mungkin. Tapi, inilah sesuatu yang akan membantu Anda memahami bagaimana itu diaktualisasikan dalam produk nyata.

(sumber gambar)

Ini adalah IC mungil (3x3x1 mm!) Oleh InvenSense. Ini memiliki accelerometer tiga sumbu (untuk gerakan lateral), giroskop tiga sumbu (untuk rotasi), dan magnetometer tiga sumbu (seperti jarum kompas). Ini memiliki kode internal yang akan melakukan semua matematika yang rumit. Hampir tidak membutuhkan daya. Semua ini untuk $ 10 dalam jumlah tunggal.

Ini hanya sebuah contoh. Ada beberapa perusahaan yang membuat produk serupa. Beberapa lebih akurat daripada yang lain, ada yang lebih murah, sebagian besar tidak memiliki magnetometer, dll ...

Selamat bersenang-senang!

Ini adalah kasus yang jarang terjadi di situs Elektronik di mana, tidak ada jawaban yang dengan jelas dan tegas menjawab pertanyaan!

Apakah ponsel mempertahankan kemampuan mendeteksi kemiringan dalam kondisi tanpa gravitasi?

Jawabannya adalah:

Mereka mempertahankan (pada tingkat perangkat keras) kemampuan untuk mendeteksi kemiringan , tetapi mereka tidak dapat lagi mendeteksi kemiringan .

Lebih lanjut,

Pada tingkat perangkat lunak aplikasi, pada kenyataannya, hampir semua (sangat mungkin "semua") penulis-aplikasi-perangkat lunak tidak akan memungkinkan untuk kasus sudut gravitasi nol, sehingga sangat mungkin fungsi girro-akseler akan bekerja dengan baik secara keseluruhan, pada sebagian besar / semua aplikasi aktual.

Mengenai cara kerja gyro / accels di ponsel, Anda dapat dengan mudah google APIs untuk ini di dua platform ( contoh ).

Namun perlu dicatat bahwa semua OS pada saat penulisan, dalam praktiknya membungkus fungsi gyro / accel tingkat lebih rendah dalam semacam manajer gerak tingkat tinggi yang nyaman :

Accels / gyros, sebenarnya dibungkus bersama di tingkat OS

Jadi sebenarnya ...

dalam praktiknya, untuk aplikasi apa pun yang baru ditulis (mengingat bahwa, katakanlah, sekitar 25% aplikasi di toko rusak / tidak diperbarui secara berkala), akan tergantung pada bagaimana tim di Apple yang menulis (dalam kasus mereka) "Coremotion" menangani (jika sama sekali!) Kasus lingkungan gravitasi nol. (Ada situasi serupa untuk Android).

Dan selanjutnya, untuk game seperti ...

Saat ini hampir semua permainan yang Anda ambil dan mainkan di telepon dibuat di Unity3D, bukan sebagai aplikasi asli. (Dan sebagai aturan, jika Anda melihat set "aplikasi yang menggunakan accel / gyros", 90% (lebih?) Dari mereka hanya permainan.) Jadi sebenarnya (di semua platform) penulis perangkat lunak sebenarnya menggunakan tingkat pembungkus perangkat lunak Unity .

Oleh karena itu, perilaku aktual dalam kasus sudut ekstrem orbit bumi, akan tergantung pada apa yang dilakukan orang - orang itu ketika menulis itu.

Satu titik yang membingungkan ...

itu belum diklarifikasi. Ketika Anda menulis perangkat lunak untuk ponsel, itu benar-benar lumrah jika harus berurusan dengan "gravitasi nol" ... untuk periode waktu yang singkat: yaitu, ketika ponsel jatuh bebas . Jadi jika Anda membuat salah satu (100-an) aplikasi untuk pemain skateboard, pemain ski atau sejenisnya yang mengukur waktu hang dan sebagainya, Anda berurusan dengan ini sebagai hal yang biasa.

Gyros diperkenalkan ke telepon sekitar 2010; accels ada di dalamnya sejak awal.

Sebuah perusahaan Perancis / Italia yang disebut STMicroelectronics cukup banyak membuat sebagian besar gyro untuk apple dan samsung.

Mengenai accelerometer, sebagian besar ponsel sekarang memiliki beberapa dari mereka karena berfungsi lebih baik seperti itu. Saya telah mendengar bahwa ada lebih banyak pemasok akselerometer (Bosch, dll).

Anda benar-benar dapat membeli MEMS gyro atau accels , jika misalnya Anda membuat mainan elektronik yang menyertakan fitur tersebut.

• Bagaimana accelerometer MEMS sebenarnya bekerja pada level media
• Cara kerja gyro MEMS

Sebagai pengulangan, jawaban cepat dasar untuk pertanyaan yang diajukan adalah

Dalam "nol g", mereka mempertahankan (pada tingkat perangkat keras) kemampuan untuk mendeteksi kemiringan , tetapi mereka tidak dapat lagi mendeteksi kemiringan .

Dalam hal perangkat lunak,

1. hampir pasti, "benar-benar gagal!" dalam kasus "Anda dalam orbit" yang aneh. Karena tidak ada gane atau insinyur aplikasi (saya tahu) akan sangat OCD untuk menutupi kasus itu, tapi jangan lupa ...

2. itu benar-benar biasa untuk memiliki "gravitasi nol" .. selama periode singkat terjun bebas (ini berlaku sebagai hal biasa jika Anda membuat salah satu "aplikasi olahraga aksi").

Saya pikir mereka mungkin menggunakan interferometer sagnac di smartphone. Sagnac Interferometer adalah perangkat yang menghasilkan pola interferensi konstan saat diam dan polanya bervariasi ketika pengaturan diputar.

Jadi ketika 3 interferometer tersebut ditempatkan kita dapat mengukur rotasi sekitar semua 3 sumbu.

Interferometer Sagnac datang dalam ukuran yang sangat kecil dan terdiri dari serat optik untuk menyalurkan cahaya, sumber cahaya (koheran), dan detektor.

Tentu saja itu harus dikalibrasi sebelum digunakan.