Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración adecuada de un objeto. [1] La aceleración adecuada es la aceleración (la tasa de cambio de velocidad ) del objeto en relación con un observador que está en caída libre (es decir, en relación con un marco de referencia inercial ). [2] La aceleración adecuada es diferente de la aceleración coordenada, que es la aceleración con respecto a un sistema de coordenadas determinado , que puede estar acelerando o no. Por ejemplo, un acelerómetro en reposo sobre la superficie de la Tierra medirá una aceleración debida a la gravedad de la Tierra directamente hacia arriba [3] de aproximadamente g ≈ 9,81 m/s 2 . Por el contrario, un acelerómetro en caída libre medirá aceleración cero.
Los acelerómetros tienen muchos usos en la industria, los productos de consumo y la ciencia. Los acelerómetros de alta sensibilidad se utilizan en sistemas de navegación inercial para aviones y misiles. En los vehículos aéreos no tripulados , los acelerómetros ayudan a estabilizar el vuelo. Los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos micromaquinados (MEMS) se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos inteligentes , cámaras y controladores de videojuegos para detectar el movimiento y la orientación de estos dispositivos. La vibración en maquinaria industrial se controla mediante acelerómetros. Los sismómetros son acelerómetros sensibles para monitorear los movimientos del suelo, como los terremotos.
Cuando dos o más acelerómetros están coordinados entre sí, pueden medir diferencias en la aceleración adecuada, particularmente la gravedad, a lo largo de su separación en el espacio, es decir, el gradiente del campo gravitacional . La gradiometría gravitacional es útil porque la gravedad absoluta es un efecto débil y depende de la densidad local de la Tierra, que es bastante variable.
Un acelerómetro de un solo eje mide la aceleración a lo largo de un eje específico. Un acelerómetro de múltiples ejes detecta tanto la magnitud como la dirección de la aceleración adecuada, como una cantidad vectorial , y generalmente se implementa como varios acelerómetros de un solo eje orientados a lo largo de diferentes ejes.
Un acelerómetro mide la aceleración adecuada , que es la aceleración que experimenta en relación con la caída libre y es la aceleración que sienten las personas y los objetos. [2] Dicho de otra manera, en cualquier punto del espacio-tiempo el principio de equivalencia garantiza la existencia de un marco inercial local , y un acelerómetro mide la aceleración relativa a ese marco. [4] Estas aceleraciones se denominan popularmente fuerza g ; es decir, en comparación con la gravedad estándar .
Un acelerómetro en reposo con respecto a la superficie de la Tierra indicará aproximadamente 1 g hacia arriba porque la superficie de la Tierra ejerce una fuerza normal hacia arriba con respecto al marco inercial local (el marco de un objeto que cae libremente cerca de la superficie). Para obtener la aceleración debida al movimiento con respecto a la Tierra, se debe restar este "desplazamiento de la gravedad" y hacer correcciones por los efectos causados por la rotación de la Tierra con respecto al marco inercial.
La razón de la aparición de un desplazamiento gravitacional es el principio de equivalencia de Einstein , [5] que establece que los efectos de la gravedad sobre un objeto son indistinguibles de la aceleración. Cuando se mantiene fijo en un campo gravitacional, por ejemplo, aplicando una fuerza de reacción del suelo o un empuje hacia arriba equivalente, el sistema de referencia de un acelerómetro (su propia carcasa) acelera hacia arriba con respecto a un sistema de referencia en caída libre. Los efectos de esta aceleración son indistinguibles de cualquier otra aceleración experimentada por el instrumento, de modo que un acelerómetro no puede detectar la diferencia entre sentarse en un cohete en la plataforma de lanzamiento y estar en el mismo cohete en el espacio profundo mientras usa sus motores para acelerar a 1 gramos. Por razones similares, un acelerómetro indicará cero durante cualquier tipo de caída libre . Esto incluye el uso en una nave espacial que navega en el espacio profundo lejos de cualquier masa, una nave espacial que orbita la Tierra, un avión en un arco parabólico de "g cero" o cualquier caída libre en el vacío. Otro ejemplo es la caída libre a una altitud suficientemente elevada como para que se puedan despreciar los efectos atmosféricos.
Sin embargo, esto no incluye una caída (no libre) en la que la resistencia del aire produce fuerzas de arrastre que reducen la aceleración hasta que se alcanza una velocidad terminal constante. A la velocidad terminal, el acelerómetro indicará 1 g de aceleración hacia arriba. Por la misma razón un paracaidista , al alcanzar la velocidad terminal, no siente como si estuviera en "caída libre", sino que experimenta una sensación similar a la de estar apoyado (a 1 g) sobre un "cama" de aire ascendente. .
La aceleración se cuantifica en la unidad SI metros por segundo por segundo (m/s 2 ), en la unidad cgs gal (Gal), o popularmente en términos de gravedad estándar ( g ).
Para el propósito práctico de encontrar la aceleración de objetos con respecto a la Tierra, como para su uso en un sistema de navegación inercial , se requiere conocimiento de la gravedad local. Esto se puede obtener calibrando el dispositivo en reposo [6] o a partir de un modelo conocido de gravedad en la posición actual aproximada.
Un acelerómetro mecánico básico es una masa de prueba amortiguada sobre un resorte . Cuando el acelerómetro experimenta una aceleración, la tercera ley de Newton hace que la compresión del resorte se ajuste para ejercer una fuerza equivalente sobre la masa para contrarrestar la aceleración. Dado que la fuerza del resorte aumenta linealmente con la cantidad de compresión (de acuerdo con la ley de Hooke ) y debido a que la constante del resorte y la masa son constantes conocidas, una medida de la compresión del resorte también es una medida de la aceleración. El sistema está amortiguado para evitar que las oscilaciones de la masa y del resorte interfieran con las mediciones. Sin embargo, la amortiguación hace que los acelerómetros tengan una respuesta de frecuencia .
Muchos animales tienen órganos sensoriales para detectar la aceleración, especialmente la gravedad. En estos, la masa de prueba suele ser uno o más cristales de otolitos de carbonato de calcio (en latín, "piedra del oído") o estatoconias , que actúan contra un lecho de pelos conectados a las neuronas. Los pelos forman los resortes, con las neuronas como sensores. La amortiguación suele realizarse mediante un fluido. Muchos vertebrados, incluidos los humanos, tienen estas estructuras en el oído interno. La mayoría de los invertebrados tienen órganos similares, pero no como parte de sus órganos auditivos. Estos se llaman estatocistos .
Los acelerómetros mecánicos a menudo están diseñados para que un circuito electrónico detecte una pequeña cantidad de movimiento y luego empuje la masa de prueba con algún tipo de motor lineal para evitar que la masa de prueba se mueva mucho. El motor puede ser un electroimán o, en acelerómetros muy pequeños, electrostático . Dado que el comportamiento electrónico del circuito se puede diseñar cuidadosamente y la masa de prueba no se mueve muy lejos, estos diseños pueden ser muy estables (es decir, no oscilan ), muy lineales con una respuesta de frecuencia controlada. (Esto se llama diseño en modo servo ).
En los acelerómetros mecánicos, la medición suele ser eléctrica, piezoeléctrica , piezoresistiva o capacitiva . Los acelerómetros piezoeléctricos utilizan sensores piezocerámicos (p. ej. , titanato de circonato de plomo ) o monocristales (p. ej., cuarzo , turmalina ). Son incomparables en mediciones de alta frecuencia, peso reducido y resistencia a altas temperaturas. Los acelerómetros piezoresistivos resisten mejor los golpes (aceleraciones muy altas). Los acelerómetros capacitivos suelen utilizar un elemento sensor micromecanizado de silicio. Miden bien las bajas frecuencias.
Los acelerómetros mecánicos modernos son a menudo pequeños sistemas microelectromecánicos ( MEMS ) y, a menudo, dispositivos MEMS muy simples, que consisten en poco más que una viga en voladizo con una masa de prueba (también conocida como masa sísmica ). La amortiguación se produce por el gas residual sellado en el dispositivo. Mientras el factor Q no sea demasiado bajo, la amortiguación no da como resultado una sensibilidad más baja.
Bajo la influencia de aceleraciones externas, la masa de prueba se desvía de su posición neutral. Esta deflexión se mide de forma analógica o digital. Lo más habitual es medir la capacitancia entre un conjunto de vigas fijas y un conjunto de vigas unidas a la masa de prueba. Este método es sencillo, fiable y económico. Integrar piezorresistores en los resortes para detectar la deformación del resorte y, por lo tanto, la deflexión, es una buena alternativa, aunque se necesitan algunos pasos más del proceso durante la secuencia de fabricación. Para sensibilidades muy altas también se utiliza el túnel cuántico ; Esto requiere un proceso dedicado, lo que lo hace muy costoso. La medición óptica se ha demostrado en dispositivos de laboratorio.
Otro acelerómetro basado en MEMS es un acelerómetro térmico (o convectivo ). [7] Contiene un pequeño calentador en una cúpula muy pequeña. Esto calienta el aire u otro fluido dentro del domo. La burbuja térmica actúa como masa de prueba . Un sensor de temperatura adjunto (como un termistor o termopila ) en el domo mide la temperatura en una ubicación del domo. Esto mide la ubicación de la burbuja calentada dentro de la cúpula. Cuando se acelera la cúpula, el fluido más frío y de mayor densidad empuja la burbuja calentada. La temperatura medida cambia. La medición de la temperatura se interpreta como aceleración. El fluido proporciona la amortiguación. La gravedad que actúa sobre el fluido proporciona el resorte. Dado que la masa de prueba es un gas muy liviano y no está sostenido por una viga o palanca, los acelerómetros térmicos pueden sobrevivir a impactos fuertes . Otra variación utiliza un cable para calentar el gas y detectar el cambio de temperatura. El cambio de temperatura cambia la resistencia del cable. Se puede construir económicamente un acelerómetro bidimensional con una cúpula, una burbuja y dos dispositivos de medición.
La mayoría de los acelerómetros micromecánicos funcionan en el plano , es decir, están diseñados para ser sensibles únicamente a una dirección en el plano de la matriz . Integrando dos dispositivos perpendicularmente en un único troquel se puede fabricar un acelerómetro de dos ejes. Al agregar otro dispositivo fuera del plano , se pueden medir tres ejes. Una combinación de este tipo puede tener un error de desalineación mucho menor que tres modelos discretos combinados después del embalaje.
Los acelerómetros micromecánicos están disponibles en una amplia variedad de rangos de medición, alcanzando hasta miles de g 's . El diseñador debe llegar a un equilibrio entre la sensibilidad y la aceleración máxima que se puede medir.
Los acelerómetros se pueden utilizar para medir la aceleración del vehículo. Los acelerómetros se pueden utilizar para medir vibraciones en automóviles, máquinas, edificios, sistemas de control de procesos e instalaciones de seguridad. También se pueden utilizar para medir la actividad sísmica , la inclinación, la vibración de las máquinas, la distancia dinámica y la velocidad con o sin la influencia de la gravedad. Las aplicaciones de acelerómetros que miden la gravedad, en las que un acelerómetro está configurado específicamente para su uso en gravimetría , se denominan gravímetros .
Los acelerómetros también se utilizan cada vez más en las ciencias biológicas. Los registros de alta frecuencia de aceleración biaxial [8] o triaxial [9] permiten discriminar patrones de comportamiento mientras los animales están fuera de la vista. Además, los registros de aceleración permiten a los investigadores cuantificar la velocidad a la que un animal gasta energía en la naturaleza, ya sea mediante la determinación de la frecuencia de las brazadas de las extremidades [10] o medidas como la aceleración dinámica general del cuerpo [11] . por los científicos marinos debido a la incapacidad de estudiar animales en la naturaleza mediante observaciones visuales; sin embargo, un número cada vez mayor de biólogos terrestres están adoptando enfoques similares. Por ejemplo, se han utilizado acelerómetros para estudiar el gasto energético en vuelo del halcón de Harris ( Parabuteo unicinctus ). [12] Los investigadores también están utilizando acelerómetros de teléfonos inteligentes para recopilar y extraer descriptores mecanobiológicos del ejercicio de resistencia. [13] Cada vez más, los investigadores están implementando acelerómetros con tecnología adicional, como cámaras o micrófonos, para comprender mejor el comportamiento animal en la naturaleza (por ejemplo, el comportamiento de caza del lince canadiense [14] ).
Los acelerómetros también se utilizan para monitorear el estado de la maquinaria para informar la vibración y sus cambios en el tiempo de los ejes en los cojinetes de equipos giratorios como turbinas, bombas , [15] ventiladores, [16] rodillos, [17] compresores , [18] [ 19] o fallos en los rodamientos [20] que, si no se solucionan a tiempo, pueden provocar reparaciones costosas. Los datos de vibración del acelerómetro permiten al usuario monitorear las máquinas y detectar estas fallas antes de que el equipo giratorio falle por completo.
Los acelerómetros se utilizan para medir el movimiento y la vibración de una estructura expuesta a cargas dinámicas. Las cargas dinámicas se originan de una variedad de fuentes que incluyen:
En aplicaciones estructurales, medir y registrar cómo una estructura responde dinámicamente a estas entradas es fundamental para evaluar la seguridad y viabilidad de una estructura. Este tipo de monitoreo se denomina Monitoreo de Salud, el cual generalmente involucra otro tipo de instrumentos, como sensores de desplazamiento -Potenciómetros, LVDTs, etc.-, sensores de deformación -Extensómetros, Extensómetros-, sensores de carga -Células de Carga, Sensores Piezo-Eléctricos- entre otros.
AED Plus de Zoll utiliza CPR-D•padz, que contiene un acelerómetro para medir la profundidad de las compresiones torácicas de RCP.
En los últimos años, varias empresas han producido y comercializado relojes deportivos para corredores que incluyen footpods , que contienen acelerómetros para ayudar a determinar la velocidad y la distancia del corredor que lleva la unidad.
En Bélgica, el gobierno promueve contadores de pasos basados en acelerómetros para animar a la gente a caminar unos miles de pasos cada día.
Herman Digital Trainer utiliza acelerómetros para medir la fuerza de golpe en el entrenamiento físico. [21] [22]
Se ha sugerido construir cascos de fútbol con acelerómetros para medir el impacto de las colisiones en la cabeza. [23]
Se han utilizado acelerómetros para calcular parámetros de la marcha , como la postura y la fase de balanceo. Este tipo de sensor se puede utilizar para medir o monitorear personas. [24] [25]
Un sistema de navegación inercial es una ayuda a la navegación que utiliza una computadora y sensores de movimiento (acelerómetros) para calcular continuamente mediante navegación a estima la posición, orientación y velocidad (dirección y velocidad de movimiento) de un objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas. Otros términos utilizados para referirse a sistemas de navegación inercial o dispositivos estrechamente relacionados incluyen sistema de guía inercial, plataforma de referencia inercial y muchas otras variaciones.
Un acelerómetro por sí solo no es adecuado para determinar cambios de altitud en distancias en las que la disminución vertical de la gravedad es significativa, como en el caso de aviones y cohetes. En presencia de un gradiente gravitacional, el proceso de calibración y reducción de datos es numéricamente inestable. [26] [27]
Los acelerómetros se utilizan para detectar el apogeo en cohetes tanto profesionales [28] como aficionados [29] .
Los acelerómetros también se utilizan en los rodillos de compactación inteligentes. Los acelerómetros se utilizan junto con los giroscopios en los sistemas de navegación inercial. [30]
Uno de los usos más comunes de los acelerómetros MEMS es en los sistemas de despliegue de bolsas de aire para automóviles modernos. En este caso, los acelerómetros se utilizan para detectar la rápida aceleración negativa del vehículo para determinar cuándo se ha producido una colisión y la gravedad de la misma. Otro uso automotriz común es en los sistemas electrónicos de control de estabilidad , que utilizan un acelerómetro lateral para medir las fuerzas en las curvas. El uso generalizado de acelerómetros en la industria automotriz ha reducido drásticamente su coste. [31] Otra aplicación automotriz es el monitoreo de ruido, vibración y aspereza (NVH), condiciones que causan incomodidad a los conductores y pasajeros y que también pueden ser indicadores de fallas mecánicas.
Los trenes basculantes utilizan acelerómetros y giroscopios para calcular la inclinación requerida. [32]
Los acelerómetros electrónicos modernos se utilizan en dispositivos de detección remota destinados a monitorear volcanes activos para detectar el movimiento del magma . [33]
Los acelerómetros se incorporan cada vez más a los dispositivos electrónicos personales para detectar la orientación del dispositivo, por ejemplo, una pantalla de visualización.
Un sensor de caída libre (FFS) es un acelerómetro que se utiliza para detectar si un sistema se ha caído y está cayendo. Luego puede aplicar medidas de seguridad, como estacionar el cabezal de un disco duro para evitar un choque y la consiguiente pérdida de datos en caso del impacto. Este dispositivo está incluido en muchos productos informáticos y electrónicos de consumo comunes producidos por diversos fabricantes. También se utiliza en algunos registradores de datos para monitorear las operaciones de manipulación de contenedores de envío . El tiempo de caída libre se utiliza para calcular la altura de caída y estimar el impacto que sufre el paquete.
Algunos teléfonos inteligentes , reproductores de audio digitales y asistentes digitales personales contienen acelerómetros para el control de la interfaz de usuario; A menudo, el acelerómetro se utiliza para presentar vistas horizontales o verticales de la pantalla del dispositivo, según la forma en que se sostiene el dispositivo. Apple ha incluido un acelerómetro en cada generación de iPhone , iPad y iPod touch , así como en cada iPod nano desde la cuarta generación. Además del ajuste de la vista de orientación, los acelerómetros de los dispositivos móviles también se pueden utilizar como podómetros , junto con aplicaciones especializadas . [34]
Los sistemas de notificación automática de colisión (ACN) también utilizan acelerómetros en un sistema para pedir ayuda en caso de un accidente automovilístico. Los sistemas ACN destacados incluyen el servicio OnStar AACN, 911 Assist de Ford Link , Safety Connect de Toyota , Lexus Link o BMW Assist . Muchos teléfonos inteligentes equipados con acelerómetro también tienen software ACN disponible para descargar. Los sistemas ACN se activan detectando aceleraciones con fuerza de choque.
Los acelerómetros se utilizan en los sistemas electrónicos de control de estabilidad de los vehículos para medir el movimiento real del vehículo. Una computadora compara el movimiento real del vehículo con la dirección y el acelerador del conductor. La computadora de control de estabilidad puede frenar selectivamente ruedas individuales y/o reducir la potencia del motor para minimizar la diferencia entre la acción del conductor y el movimiento real del vehículo. Esto puede ayudar a evitar que el vehículo gire o se vuelque.
Algunos podómetros utilizan un acelerómetro para medir con mayor precisión el número de pasos dados y la distancia recorrida que un sensor mecánico.
La consola de videojuegos Wii de Nintendo utiliza un controlador llamado Wii Remote que contiene un acelerómetro de tres ejes y fue diseñado principalmente para entrada de movimiento. Los usuarios también tienen la opción de comprar un accesorio adicional sensible al movimiento, el Nunchuk , para que el movimiento pueda grabarse desde ambas manos del usuario de forma independiente. También se utiliza en el sistema Nintendo 3DS .
Los despertadores de la fase del sueño utilizan sensores acelerométricos para detectar el movimiento de una persona que duerme, de modo que puedan despertarla cuando no está en la fase REM, para despertarla más fácilmente. [35]
Un micrófono o tímpano es una membrana que responde a las oscilaciones de la presión del aire. Estas oscilaciones provocan aceleración, por lo que se pueden utilizar acelerómetros para registrar el sonido. [36] Un estudio de 2012 encontró que los acelerómetros de los teléfonos inteligentes pueden detectar voces en el 93% de las situaciones diarias típicas. [37]
Por el contrario, los sonidos cuidadosamente diseñados pueden hacer que los acelerómetros proporcionen datos falsos. Un estudio probó 20 modelos de acelerómetros de teléfonos inteligentes (MEMS) y encontró que la mayoría eran susceptibles a este ataque. [38]
Varios dispositivos del siglo XXI utilizan acelerómetros para alinear la pantalla según la dirección en la que se sostiene el dispositivo (por ejemplo, cambiar entre los modos vertical y horizontal ). Estos dispositivos incluyen muchas tabletas y algunos teléfonos inteligentes y cámaras digitales . El Amida Simputer , un dispositivo portátil Linux lanzado en 2004, fue el primer dispositivo portátil comercial en tener un acelerómetro incorporado. Incorporó muchas interacciones basadas en gestos utilizando este acelerómetro, incluido pasar página, acercar y alejar imágenes, cambiar del modo vertical al horizontal y muchos juegos simples basados en gestos.
En enero de 2009, casi todos los teléfonos móviles y cámaras digitales nuevos contienen al menos un sensor de inclinación y, a veces, un acelerómetro con el fin de rotar automáticamente la imagen, minijuegos sensibles al movimiento y corregir el movimiento al tomar fotografías.
Las videocámaras utilizan acelerómetros para estabilizar la imagen , ya sea moviendo elementos ópticos para ajustar la trayectoria de la luz al sensor y cancelar movimientos no deseados o cambiando digitalmente la imagen para suavizar el movimiento detectado. Algunas cámaras fotográficas utilizan acelerómetros para capturar imágenes borrosas. La cámara deja de capturar la imagen cuando la cámara está en movimiento. Cuando la cámara está quieta (aunque sólo sea durante un milisegundo, como podría ser el caso de la vibración), se captura la imagen. Un ejemplo de la aplicación de esta tecnología es Glogger VS2, [39] una aplicación telefónica que se ejecuta en teléfonos basados en Symbian con acelerómetros como el Nokia N96 . Algunas cámaras digitales contienen acelerómetros para determinar la orientación de la fotografía que se está tomando y también para rotar la imagen actual al visualizarla.
Muchas computadoras portátiles cuentan con un acelerómetro que se utiliza para detectar caídas. Si se detecta una caída, los cabezales del disco duro se aparcan para evitar la pérdida de datos y posibles daños en el cabezal o el disco por el impacto resultante .
Un gravímetro o gravitómetro, es un instrumento utilizado en gravimetría para medir el campo gravitacional local . Un gravímetro es un tipo de acelerómetro, excepto que los acelerómetros son susceptibles a todas las vibraciones, incluido el ruido , que provocan aceleraciones oscilatorias. Esto se contrarresta en el gravímetro mediante un aislamiento integral de vibraciones y un procesamiento de señales . Aunque el principio esencial de diseño es el mismo que el de los acelerómetros, los gravímetros suelen estar diseñados para ser mucho más sensibles que los acelerómetros a fin de medir cambios muy pequeños dentro de la gravedad de la Tierra , de 1 g . Por el contrario, otros acelerómetros suelen estar diseñados para medir 1000 go más, y muchos realizan mediciones multiaxiales. Las limitaciones de la resolución temporal suelen ser menores para los gravímetros, de modo que la resolución se puede aumentar procesando la salida con una "constante de tiempo" más larga.
Los datos del acelerómetro, a los que pueden acceder aplicaciones de terceros sin el permiso del usuario en muchos dispositivos móviles, [41] se han utilizado para inferir información valiosa sobre los usuarios basándose en los patrones de movimiento registrados (por ejemplo, comportamiento de conducción, nivel de intoxicación, edad, género, entradas de pantalla táctil, ubicación geográfica). [42] Si se hace sin el conocimiento o consentimiento del usuario, esto se conoce como ataque de inferencia . Además, millones de teléfonos inteligentes podrían ser vulnerables al descifrado del software mediante acelerómetros. [43] [44]
El conjunto de engranajes de un turbocompresor crítico fue monitoreado con un acelerómetro industrial estándar a frecuencias muy bajas...