El acelerómetro se ha convertido en uno de los sensores más importantes de nuestros móviles. En este artículo conocemos en detalle para qué se utiliza y cómo funciona.
Contenido
¿Para qué sirve el acelerómetro en un smartphone? - Las diferentes formas de calcular la aceleración - Principio de funcionamiento del acelerómetro - Medida de desplazamiento - Tecnología MEMS - Aceleración absoluta y aceleración lineal - Precisión y calibración de un acelerómetro MEMS
¿Para qué sirve el acelerómetro de un smartphone?
Hasta la introducción de los sensores en los teléfonos móviles, el acelerómetro era un instrumento científico poco conocido, limitado a aplicaciones muy especializadas como las estaciones inerciales de aviones y submarinos, la detección de impactos para el disparo de airbags o el estudio de terremotos .
Con los avances en la miniaturización que han permitido disponer de chips acelerómetros de menos de un milímetro, este sensor ha adquirido otra dimensión y ya está presente en todos los smartphones. Con el lanzamiento del iPhone en 2007 solo se utilizaba para gestionar la orientación automática de la pantalla , luego con el paso de los años ha ido ocupando un lugar cada vez mayor en nuestros dispositivos digitales.
Hoy en día, los acelerómetros se utilizan en el ámbito de la prevención , para alertar a los servicios médicos de urgencia en caso de caídas. También se utiliza para analizar nuestra actividad física , por ejemplo, para reconocer si caminamos y cuántos pasos hemos dado, o si subimos escaleras. Unido a otros sensores como el giroscopio o el magnetómetro, sirven para saber la posición de un móvil en cualquier momento y se utilizan en juegos por ejemplo.
Diferentes formas de calcular la aceleración.
La aceleración es una cantidad física que describe la variación de la velocidad de un objeto a lo largo del tiempo. Corresponde a la medida del aumento o disminución de la velocidad de un objeto por unidad de tiempo. La aceleración puede ser positiva o negativa, dependiendo de la dirección del cambio de velocidad, y se expresa en metros por segundo al cuadrado (m/s²) en el sistema internacional de unidades (SI).
Matemáticamente, la aceleración viene dada por la fórmula:
donde a es la aceleración, v la velocidad y t el tiempo.
Por tanto, para medir la aceleración es necesario disponer de un medio que permita calcular con precisión la velocidad. lamentablemente en la mayoría de los casos es difícil o incluso imposible calcular la velocidad de un objeto con suficiente precisión .
Recurrimos entonces a otra forma de calcular la aceleración: utilizando la segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica que establece que una fuerza resultante ejercida sobre un objeto siempre es igual al producto de la masa de ese objeto por su aceleración . Si somos capaces de medir la fuerza que se ejerce sobre un móvil, entonces podemos deducir la aceleración a la que está sometido.
Utilizando construcciones físicas como resortes, es más fácil determinar la fuerza ejercida sobre un cuerpo y determinar su velocidad. Entonces tenemos una manera de medir la aceleración. La mayoría de los acelerómetros utilizan este segundo método para determinar la aceleración.
Principio de funcionamiento del acelerómetro
Imaginemos que conectamos una pequeña masa de peso suficientemente bajo a un resorte conectado al marco del dispositivo cuya aceleración queremos saber, como se muestra en el gráfico siguiente.
Considere los componentes del diagrama anterior. Si movemos el smartphone, la pequeña masa inicialmente permanecerá en su posición por inercia, y la longitud del resorte cambiará en un valor que anotamos x. Esta deformación del resorte crea una fuerza restauradora que es proporcional a su alargamiento: F = kx siendo k la rigidez del resorte y x el desplazamiento.
Según la segunda ley de Newton, esta fuerza crea una aceleración de la masa tal que F = ma donde a es la aceleración de la masa y m su peso. Deducimos que kx = ma de donde a, la aceleración de la masa: a = kx/m.
Resolver la ecuación diferencial muestra que la aceleración del portátil es igual a la suma de dos términos: un término que depende del desplazamiento x y una oscilación de la que depende (k/m)^0,5. Si la rigidez del resorte k es grande en comparación con m, el término de oscilación es insignificante y la aceleración del teléfono inteligente es directamente proporcional al desplazamiento x .
Medición de desplazamiento
¿Cómo medir el desplazamiento x? La lectura directa sólo se puede utilizar en los casos en que la aceleración sea continua. Por ejemplo, para calcular la aceleración que experimenta un astronauta en una centrífuga o un piloto en un avión. Pero si este valor se valora rápidamente, este método no es adecuado.
Uno de los métodos utilizados en los sensores modernos utiliza las características de los condensadores. Un condensador está formado por dos placas conductoras separadas por un aislante. Su principal propiedad es poder almacenar cargas eléctricas opuestas en sus refuerzos. Resulta que la capacidad de almacenamiento de un condensador es inversamente proporcional a la distancia entre las placas conductoras.
Hay muchas formas de calcular electrónicamente la capacitancia de un capacitor, si conectamos una placa al móvil y otra a tierra conectada al resorte, entonces podemos estimar el espaciamiento de las placas calculando la capacitancia del capacitor.
La combinación de un resorte y un condensador es el método más utilizado para calcular la aceleración.
tecnología MEMS
Una de las dificultades que encontraron los ingenieros es reducir el tamaño del sensor para que este instrumento de medición quepa en una computadora portátil. Aquí es donde entra en juego la tecnología MEMS, que significa Micro Electro Mechanical System. Un MEMS es un pequeño circuito integrado en el que tenemos piezas mecánicas y electrónicas completamente integradas. Los primeros MEMS se desarrollaron en los años 1970.
¿Cómo es un acelerómetro MEMS? Esta es la foto MEMS de un iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). Vemos en esta foto los resortes, la masa que rodea el objeto y los capacitores que están orientados en dos direcciones, X e Y. Estas dos series de capacitores están orientadas en ángulo recto para medir la aceleración en dos direcciones. Si queremos saber la aceleración en las tres direcciones, debemos añadir un tercer acelerómetro en dirección a la cara del smartphone. Como generalmente no son muy gruesos, los ingenieros modificaron el diseño y en la foto vemos este sensor encima de los otros dos.
Aceleración absoluta y aceleración lineal.
Ahora que sabemos cómo funciona el acelerómetro de nuestros smartphones, intentemos entender qué miden exactamente. Cuando colocamos nuestro sensor en vertical, la masa de los acelerómetros es atraída por la gravedad, por lo que el sensor indicará una fuerza y por tanto una aceleración, la de la gravedad, g. Por eso el sensor muestra la gravedad cuando está en reposo. Si dejo caer mi computadora portátil, entonces ésta quedará ingrávida por un corto tiempo y la aceleración absoluta será cero. Puedes comprobar esto con FizziQ dejando caer tu teléfono sobre una cama (blanda) y registrando la aceleración absoluta. Este experimento también te permitirá calcular la gravedad g midiendo la duración de la caída.
La aceleración que calcula el acelerómetro se llama aceleración absoluta , también se llama aceleración con g porque incluye la gravedad. Se distingue de la aceleración lineal o aceleración sin g , que es la aceleración de un móvil cuando le quitamos el vector de la gravedad. Veremos en otro artículo cómo calcular este valor que es imprescindible para determinadas aplicaciones.
Precisión y calibración del acelerómetro
La aceleración medida por los MEMS de nuestros portátiles es por construcción afectada por la gravedad, por lo que en reposo el acelerómetro mostrará el valor igual a la aceleración de la gravedad, es decir 9,81 m/s². Utilizando los diferentes componentes de la aceleración absoluta, podemos determinar la orientación del portátil. Si selecciono aceleración vertical absoluta, encontraré la proyección de la aceleración debida a la gravedad en el eje vertical de mi computadora portátil. Mi portátil plano muestra cero, pero verticalmente la medida es 9,81 m/s²...
La calibración del acelerómetro es un proceso que corrige posibles errores de medición del acelerómetro recalibrándolo. Esto puede ser necesario si el dispositivo no detecta el movimiento correctamente o registra mediciones incorrectas. Si medimos la aceleración absoluta de un portátil en reposo, encontramos que el número mostrado no es exactamente igual a 9,81 m/s² sino un valor cercano a este valor.
De hecho, todas las computadoras portátiles mostrarán valores diferentes porque los sensores no están calibrados con precisión para brindar esta información. ¿Es esto un problema? En realidad no, porque una precisión superior al 1% no es necesariamente necesaria para las aplicaciones habituales de reconocimiento de movimiento. Sería una historia diferente si usáramos estos sensores para calcular nuestra posición como lo hacen los submarinos nucleares...
Nota: Gracias a Daniel Rouan por su contribución en los cálculos teóricos.