O acelerômetro se tornou um dos sensores mais importantes de nossos celulares. Neste artigo descobrimos detalhadamente para que é utilizado e como funciona.
Conteúdo
Para que serve o acelerômetro em um smartphone? - As diferentes formas de calcular a aceleração - Princípio de funcionamento do acelerómetro - Medição do deslocamento - Tecnologia MEMS - Aceleração absoluta e aceleração linear - Precisão e calibração de um acelerómetro MEMS
Para que serve o acelerômetro de um smartphone?
Até à introdução dos sensores nos telemóveis, o acelerómetro era um instrumento científico pouco conhecido, confinado a aplicações muito especializadas como as estações inerciais de aviões e submarinos, a deteção de choques para o acionamento de airbags, ou o estudo de sismos .
Com o progresso da miniaturização que permitiu ter chips acelerômetros menores que um milímetro, esse sensor ganhou outra dimensão e agora está presente em todos os smartphones. Com o lançamento do iPhone em 2007, ele passou a ser usado apenas para gerenciar a orientação automática da tela e, ao longo dos anos, assumiu um lugar cada vez maior em nossos dispositivos digitais.
Hoje, os acelerômetros são utilizados na área de prevenção , para alertar os serviços médicos de emergência em caso de quedas. Também é utilizado para analisar a nossa atividade física , por exemplo, para reconhecer se caminhamos e quantos passos demos, ou se subimos escadas. Aliados a outros sensores como o giroscópio ou o magnetômetro, servem para saber a posição de um celular a qualquer momento e são utilizados em jogos, por exemplo.
Diferentes maneiras de calcular a aceleração
A aceleração é uma quantidade física que descreve a variação na velocidade de um objeto ao longo do tempo. Corresponde à medição do aumento ou diminuição da velocidade de um objeto por unidade de tempo. A aceleração pode ser positiva ou negativa, dependendo da direção da mudança de velocidade, e é expressa em metros por segundo quadrado (m/s²) no sistema internacional de unidades (SI).
Matematicamente, a aceleração é dada pela fórmula:
onde a é a aceleração, v a velocidade e t o tempo.
Para medir a aceleração é, portanto, necessário ter um meio de calcular com precisão a velocidade. infelizmente na maioria dos casos é difícil ou mesmo impossível calcular a velocidade de um objeto com precisão suficiente .
Recorremos então a outra forma de calcular a aceleração: utilizando a segunda lei de Newton ou princípio fundamental da dinâmica que afirma que uma força resultante exercida sobre um objeto é sempre igual ao produto da massa deste objeto pela sua aceleração . Se conseguirmos medir a força exercida sobre um móbile, poderemos deduzir a aceleração a que ele está sujeito.
Usando construções físicas como molas, é mais fácil determinar a força exercida sobre um corpo e determinar sua velocidade. Temos então uma maneira de medir a aceleração. A maioria dos acelerômetros usa este segundo método para determinar a aceleração.
Princípio de funcionamento do acelerômetro
Imaginemos que ligamos uma pequena massa de peso suficientemente baixo a uma mola ela própria ligada à estrutura do dispositivo cuja aceleração queremos saber, conforme mostra o gráfico abaixo.
Considere os componentes do diagrama acima. Se movermos o smartphone, a pequena massa permanecerá inicialmente na sua posição por inércia, e o comprimento da mola mudará por um valor que notamos x. Esta deformação da mola cria uma força restauradora que é proporcional ao seu alongamento: F = kx com k a rigidez da mola e x o deslocamento.
De acordo com a segunda lei de Newton, esta força cria uma aceleração da massa tal que F = ma onde a é a aceleração da massa e m o seu peso. Deduzimos que kx = ma, do qual a, a aceleração da massa: a = kx/m.
Resolver a equação diferencial mostra que a aceleração do laptop é igual à soma de dois termos: um termo que depende do deslocamento x e uma oscilação da qual depende (k/m)^0,5. Se a rigidez da mola k for grande comparada a m, o termo de oscilação é insignificante e a aceleração do smartphone é diretamente proporcional ao deslocamento x .
Medição de deslocamento
Como medir o deslocamento x? A leitura direta só pode ser utilizada nos casos em que a aceleração é contínua. Por exemplo, para calcular a aceleração experimentada por um astronauta numa centrífuga ou por um piloto num avião. Mas se este valor valorizar rapidamente este método não é adequado.
Um dos métodos utilizados em sensores modernos utiliza as características dos capacitores. Um capacitor é composto por duas placas condutoras separadas por um isolador. Sua principal propriedade é poder armazenar cargas elétricas opostas em seus reforços. Acontece que a capacidade de armazenamento de um capacitor é inversamente proporcional à distância entre as placas condutoras.
Existem muitas maneiras de calcular eletronicamente a capacitância de um capacitor, se conectarmos uma placa ao móvel e outra ao terra ligada à mola, podemos então estimar o espaçamento das placas calculando a capacitância do capacitor.
A combinação de uma mola e um capacitor é o método mais comumente usado para calcular a aceleração.
Tecnologia MEMS
Uma das dificuldades que os engenheiros encontraram é reduzir o tamanho do sensor para que este instrumento de medição caiba em um laptop. É aqui que entra em ação a tecnologia MEMS, que significa Micro Electro Mechanical System. Um MEMS é um pequeno circuito integrado no qual integramos completamente peças mecânicas e eletrônicas. Os primeiros MEMS foram desenvolvidos na década de 1970.
Qual é a aparência de um acelerômetro MEMS? Esta é a foto MEMS de um iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). Vemos nesta foto as molas, a massa que envolve o objeto e os capacitores que estão orientados em duas direções, X e Y. Essas duas séries de capacitores estão orientadas em ângulos retos para medir a aceleração em duas direções. Se quisermos saber a aceleração nas três direções, devemos adicionar um terceiro acelerômetro na direção da face do smartphone. Como estes geralmente não são muito grossos, os engenheiros modificaram o design e na foto vemos este sensor acima dos outros dois.
Aceleração absoluta e aceleração linear
Agora que sabemos como funciona o acelerômetro de nossos smartphones, vamos tentar entender o que exatamente eles medem. Quando colocamos nosso sensor na vertical, a massa dos acelerômetros é atraída pela gravidade, e assim o sensor indicará uma força e portanto uma aceleração, a da gravidade, g. É por isso que o sensor exibe a gravidade quando está em repouso. Se eu deixar cair meu laptop, ele ficará sem peso por um curto período de tempo e a aceleração absoluta será zero. Você pode verificar isso com o FizziQ deixando seu telefone cair em uma cama (macia) e registrando a aceleração absoluta. Este experimento também permitirá calcular a gravidade g medindo a duração da queda.
A aceleração calculada pelo acelerômetro é chamada de aceleração absoluta , também é chamada de aceleração com g porque inclui a gravidade. Distingue-se da aceleração linear ou aceleração sem g , que é a aceleração de um móbile quando retiramos o vetor gravidade. Veremos em outro artigo como calcular esse valor que é essencial para determinadas aplicações.
Precisão e calibração do acelerômetro
A aceleração medida pelos MEMS dos nossos laptops é por construção afetada pela gravidade e, portanto, em repouso o acelerômetro exibirá o valor igual à aceleração da gravidade, ou seja, 9,81 m/s². Usando os diferentes componentes da aceleração absoluta, podemos determinar a orientação do laptop. Se eu selecionar aceleração vertical absoluta, encontrarei a projeção da aceleração da gravidade no eixo vertical do meu laptop. Meu laptop plano exibe zero, mas verticalmente a medição é 9,81 m/s²...
A calibração do acelerômetro é um processo que corrige possíveis erros de medição do acelerômetro, recalibrando-o. Isto pode ser necessário se o dispositivo não detectar movimento corretamente ou registrar medições incorretas. Se medirmos a aceleração absoluta de um portátil em repouso, descobrimos que o número apresentado não é exactamente igual a 9,81 m/s² mas sim num valor próximo deste valor.
Na verdade, todos os laptops mostrarão valores diferentes porque os sensores não estão calibrados com precisão para fornecer essas informações. Isso é um problema? Na verdade não, porque a precisão superior a 1% não é necessariamente necessária para aplicações usuais de reconhecimento de movimento. Seria uma história diferente se utilizássemos estes sensores para calcular a nossa posição como fazem os submarinos nucleares...
Nota: Agradecimentos a Daniel Rouan pela contribuição nos cálculos teóricos.