Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración propia de un objeto. [1] La aceleración propia 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 propia es diferente de la aceleración de coordenadas, que es la aceleración con respecto a un sistema de coordenadas dado , que puede o no estar acelerando. Por ejemplo, un acelerómetro en reposo sobre la superficie de la Tierra medirá una aceleración debido a la gravedad de la Tierra directamente hacia arriba [3] de aproximadamente g ≈ 9,81 m/s 2 . Por el contrario, un acelerómetro que está en caída libre medirá una 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 aeronaves y misiles. En vehículos aéreos no tripulados , los acelerómetros ayudan a estabilizar el vuelo. Los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS) micromaquinados 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 la maquinaria industrial se monitorea mediante acelerómetros. Los sismómetros son acelerómetros sensibles para monitorear el movimiento del suelo, como los terremotos.
Cuando dos o más acelerómetros se coordinan entre sí, pueden medir las diferencias en la aceleración propia, en particular la gravedad, a lo largo de su separación en el espacio, es decir, el gradiente del campo gravitatorio . La gradiometría de la gravedad 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 multieje 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 propia , 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] Tales 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 sistema inercial local (el sistema de un objeto en caída libre cerca de la superficie). Para obtener la aceleración debida al movimiento con respecto a la Tierra, se debe restar este "desplazamiento gravitacional" y realizar correcciones para tener en cuenta los efectos causados por la rotación de la Tierra con respecto al sistema 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 gravitatorio mediante, por ejemplo, la aplicación de una fuerza de reacción del suelo o un empuje ascendente equivalente, el marco de referencia de un acelerómetro (su propia carcasa) acelera hacia arriba con respecto a un marco 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 estar sentado en un cohete en la plataforma de lanzamiento y estar en el mismo cohete en el espacio profundo mientras utiliza sus motores para acelerar a 1 g. Por razones similares, un acelerómetro leerá cero durante cualquier tipo de caída libre . Esto incluye el uso en una nave espacial que se desplace en el espacio profundo lejos de cualquier masa, una nave espacial que orbite la Tierra, un avión en un arco parabólico de "gravedad cero" o cualquier caída libre en el vacío. Otro ejemplo es la caída libre a una altitud suficientemente alta como para que se puedan ignorar 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 . En la velocidad terminal, el acelerómetro indicará una aceleración de 1 g 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 estar sostenido (a 1 g) sobre un "lecho" de aire ascendente.
La aceleración se cuantifica en la unidad SI metros 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 un 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 amortiguada colocada 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 (según la ley de Hooke ) y debido a que la constante del resorte y la masa son constantes conocidas, una medición de la compresión del resorte también es una medición de la aceleración. El sistema está amortiguado para evitar que las oscilaciones de la masa y el 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 carbonato de calcio otolitos (del latín "piedra del oído") o estatoconios , que actúan contra un lecho de pelos conectados a neuronas. Los pelos forman los resortes, con las neuronas como sensores. La amortiguación suele ser mediante un fluido. Muchos vertebrados, incluidos los humanos, tienen estas estructuras en sus oídos internos. La mayoría de los invertebrados tienen órganos similares, pero no como parte de sus órganos auditivos. Estos se llaman estatocistos .
Los acelerómetros mecánicos suelen estar diseñados de modo 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 demasiado. El motor puede ser un electroimán o, en el caso de acelerómetros muy pequeños, un motor electrostático . Dado que el comportamiento electrónico del circuito se puede diseñar con cuidado y la masa de prueba no se mueve demasiado, estos diseños pueden ser muy estables (es decir, no oscilan ), muy lineales y con una respuesta de frecuencia controlada (esto se denomina diseño en modo servo ).
En los acelerómetros mecánicos, la medición suele ser eléctrica, piezoeléctrica , piezorresistiva o capacitiva . Los acelerómetros piezoeléctricos utilizan sensores piezocerámicos (p. ej., zirconato titanato de plomo ) o monocristales (p. ej., cuarzo , turmalina ). No tienen rival en mediciones de alta frecuencia, peso reducido en el embalaje y resistencia a altas temperaturas. Los acelerómetros piezorresistivos resisten mejor los golpes (aceleraciones muy altas). Los acelerómetros capacitivos suelen utilizar un elemento sensor micromaquinado de silicio. Miden bien las frecuencias bajas.
Los acelerómetros mecánicos modernos suelen ser pequeños sistemas microelectromecánicos ( MEMS ) y, a menudo, son 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 resulta del gas residual sellado en el dispositivo. Mientras el factor Q no sea demasiado bajo, la amortiguación no da como resultado una menor sensibilidad.
Bajo la influencia de aceleraciones externas, la masa de prueba se desvía de su posición neutra. 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. La integración de piezorresistores en los resortes para detectar la deformación del resorte y, por tanto, la deflexión, es una buena alternativa, aunque se necesitan unos cuantos pasos de proceso más durante la secuencia de fabricación. Para sensibilidades muy altas también se utiliza el efecto túnel cuántico ; esto requiere un proceso específico, lo que lo hace muy caro. 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 de la cúpula. La burbuja térmica actúa como masa de prueba . Un sensor de temperatura adjunto (como un termistor ; o termopila ) en la cúpula mide la temperatura en una ubicación de la cúpula. 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 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 sostenida por una viga o palanca, los acelerómetros térmicos pueden sobrevivir a fuertes choques . 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 un acelerómetro bidimensional de manera económica 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 solo a una dirección en el plano de la matriz . Al integrar dos dispositivos perpendicularmente en una sola matriz, se puede crear un acelerómetro de dos ejes. Al agregar otro dispositivo fuera del plano , se pueden medir tres ejes. Tal combinación puede tener un error de desalineación mucho menor que tres modelos discretos combinados después del empaquetado.
Los acelerómetros micromecánicos están disponibles en una amplia variedad de rangos de medición, que alcanzan hasta miles de g . El diseñador debe encontrar un equilibrio entre la sensibilidad y la aceleración máxima que se puede medir .
Los acelerómetros se pueden utilizar para medir la aceleración de vehículos. 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 los 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 la discriminación de patrones de comportamiento mientras los animales están fuera de la vista. Además, los registros de aceleración permiten a los investigadores cuantificar la tasa a la que un animal gasta energía en la naturaleza, ya sea mediante la determinación de la frecuencia de los movimientos de las extremidades [10] o mediante medidas como la aceleración corporal dinámica general [11]. Estos enfoques han sido adoptados principalmente por científicos marinos debido a la incapacidad de estudiar animales en la naturaleza utilizando 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 de energía de 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 sobre la vibración y sus cambios en el tiempo de los ejes en los cojinetes de equipos rotativos como turbinas, bombas , [15] ventiladores, [16] rodillos, [17] compresores , [18] [19] o fallas en los cojinetes [20] que, si no se atienden rápidamente, pueden conducir a reparaciones costosas. Los datos de vibración del acelerómetro permiten al usuario monitorear las máquinas y detectar estas fallas antes de que el equipo rotativo falle por completo.
Los acelerómetros se utilizan para medir el movimiento y la vibración de una estructura expuesta a cargas dinámicas. Las cargas dinámicas tienen su origen en diversas fuentes, entre ellas:
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, que generalmente involucra otro tipo de instrumentos, como sensores de desplazamiento -Potenciómetros, LVDTs, etc.-, sensores de deformación -Galas extensométricas, Extensómetros-, sensores de carga -Celdas de Carga, Sensores Piezoeléctricos- entre otros.
El AED Plus de Zoll utiliza CPR-D•padz que contienen 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 podómetros , que contienen acelerómetros para ayudar a determinar la velocidad y la distancia del corredor que usa la unidad.
En Bélgica, el gobierno promueve los contadores de pasos basados en acelerómetro para alentar a la gente a caminar unos miles de pasos cada día.
Herman Digital Trainer utiliza acelerómetros para medir la fuerza de impacto 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]
Los acelerómetros se han utilizado para calcular parámetros de la marcha , como la fase de apoyo y de balanceo. Este tipo de sensor se puede utilizar para medir o monitorear a las 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 por 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 los 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 los aviones y los 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 tanto en la cohetería profesional [28] como en la amateur [29] .
Los acelerómetros también se utilizan en los rodillos de compactación inteligente. 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 airbag de los automóviles modernos. En este caso, los acelerómetros se utilizan para detectar la aceleración negativa rápida del vehículo para determinar cuándo se ha producido una colisión y la gravedad de la misma. Otro uso común en la industria automotriz es en los sistemas de control electrónico 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 costo. [31] Otra aplicación automotriz es el monitoreo del ruido, la vibración y la aspereza (NVH), condiciones que causan incomodidad a los conductores y pasajeros y también pueden ser indicadores de fallas mecánicas.
Los trenes inclinados utilizan acelerómetros y giroscopios para calcular la inclinación requerida. [32]
Los acelerómetros electrónicos modernos se utilizan en dispositivos de teledetección destinados a la monitorización de 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.
Un sensor de caída libre (FFS) es un acelerómetro que se utiliza para detectar si un sistema se ha caído y está cayendo. A continuación, puede aplicar medidas de seguridad, como estacionar el cabezal de un disco duro para evitar que se estrelle y se pierdan datos en caso de impacto. Este dispositivo se incluye en muchos productos informáticos y electrónicos de consumo comunes que producen diversos fabricantes. También se utiliza en algunos registradores de datos para supervisar 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 sufrirá 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. Junto con el ajuste de la vista de orientación, los acelerómetros en dispositivos móviles también se pueden utilizar como podómetros , junto con aplicaciones especializadas . [34]
Los sistemas de notificación automática de colisiones (ACN) también utilizan acelerómetros en un sistema para solicitar ayuda en caso de colisión de un vehículo. Entre los sistemas ACN más destacados se incluyen el servicio AACN de OnStar , 911 Assist de Ford Link , Safety Connect de Toyota , Lexus Link o BMW Assist . Muchos teléfonos inteligentes equipados con acelerómetros también tienen software ACN disponible para descargar. Los sistemas ACN se activan al detectar aceleraciones de fuerza similar a la de un choque.
Los acelerómetros se utilizan en los sistemas de control electrónico de estabilidad de los vehículos para medir el movimiento real del vehículo. Una computadora compara el movimiento real del vehículo con la dirección y la aceleración del conductor. La computadora de control de estabilidad puede frenar selectivamente las 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 vuelque.
Algunos podómetros utilizan un acelerómetro para medir con mayor precisión la cantidad de pasos dados y la distancia recorrida que la que puede proporcionar un sensor mecánico.
La consola de videojuegos Wii de Nintendo utiliza un mando llamado Wii Remote que contiene un acelerómetro de tres ejes y fue diseñado principalmente para la entrada de movimiento. Los usuarios también tienen la opción de comprar un accesorio adicional sensible al movimiento, el Nunchuk , para que la entrada de movimiento pueda ser grabada de ambas manos del usuario de forma independiente. También se utiliza en la consola Nintendo 3DS .
Los despertadores de fase de sueño utilizan sensores acelerométricos para detectar el movimiento de la persona dormida, de modo que puedan despertarla cuando no está en 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 descubrió que los acelerómetros de los teléfonos inteligentes pueden detectar voces en el 93 % de las situaciones cotidianas típicas. [37]
Por el contrario, los sonidos diseñados cuidadosamente pueden hacer que los acelerómetros informen datos falsos. Un estudio probó 20 modelos de acelerómetros de teléfonos inteligentes (MEMS) y descubrió 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 sostenga el dispositivo (por ejemplo, para cambiar entre los modos vertical y horizontal ). Dichos 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. Incorporaba muchas interacciones basadas en gestos utilizando este acelerómetro, incluido el cambio de página, el acercamiento y alejamiento de imágenes, el cambio del modo vertical al horizontal y muchos juegos simples basados en gestos.
Desde enero de 2009, casi todos los nuevos teléfonos móviles y cámaras digitales contienen al menos un sensor de inclinación y, a veces, un acelerómetro para rotar automáticamente la imagen, jugar a 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 hacia el sensor para cancelar movimientos no deseados o desplazando 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 está en movimiento. Cuando la cámara está quieta (aunque sea por 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 de teléfono 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 foto que se está tomando y también para rotar la imagen actual al visualizarla.
Muchos portátiles cuentan con un acelerómetro que se utiliza para detectar caídas. Si se detecta una caída, los cabezales del disco duro se detienen para evitar la pérdida de datos y posibles daños en los cabezales o en el disco por el impacto .
Un gravímetro o gravitómetro es un instrumento utilizado en gravimetría para medir el campo gravitatorio local . Un gravímetro es un tipo de acelerómetro, excepto que los acelerómetros son susceptibles a todas las vibraciones, incluido el ruido , que causan aceleraciones oscilatorias. Esto se contrarresta en el gravímetro mediante el aislamiento integral de vibraciones y el procesamiento de señales . Aunque el principio esencial del diseño es el mismo que en los acelerómetros, los gravímetros suelen estar diseñados para ser mucho más sensibles que los acelerómetros con el fin de medir cambios muy pequeños dentro de la gravedad de la Tierra , de 1 g . En contraste, otros acelerómetros a menudo están diseñados para medir 1000 g o más, y muchos realizan mediciones multiaxiales. Las restricciones en la resolución temporal suelen ser menores para los gravímetros, por lo 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 en función de 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 un ataque de inferencia . Además, millones de teléfonos inteligentes podrían ser vulnerables al descifrado de software a través de acelerómetros. [43] [44]
El conjunto de engranajes de un turbocompresor crítico se monitoreó con un acelerómetro industrial estándar a frecuencias muy bajas...