La mayoría de los teléfonos inteligentes son sensibles a la inclinación, pero ¿qué dispositivo lo hace posible? Además, ¿cómo funciona (y los sensores asociados con él)?

Además, dado que el funcionamiento de estos sensores parece, casi con certeza, basado en la presencia de un campo gravitacional externo (por ejemplo, el de la Tierra), esto plantea la segunda pregunta: ¿los teléfonos inteligentes retienen su sensibilidad a la inclinación bajo gravedad cero (hipotética) condiciones?

(Recientemente jugué un juego de simulador de avión en mi teléfono ... el hecho de que el avión respondiera tan bien a la inclinación me sorprendió; de ahí la necesidad de hacer esta pregunta)

Extras:

Yo mismo pensé un poco en esto, así que también lo pondré aquí. Para todos los efectos, mi pregunta terminó después del segundo párrafo, pero lo que he agregado después de esto podría ayudar a adaptar una respuesta que se ajuste a mi comprensión actual de la física.

Actualmente estoy en la escuela secundaria, y si recuerdo bien, hay seis grados de libertad para una partícula en un sistema cartesiano 3D. Desde mi experiencia con la aplicación de simulador de avión, los teléfonos inteligentes parecen detectar movimiento en solo tres grados de libertad: cabeceo, balanceo y guiñada

Hablando de sensores sensibles a la inclinación: la forma en que supongo que funcionan estos sensores / transductores es mediante la detección de los pequeños cambios en la energía potencial gravitacional (que puede manifestarse como un movimiento a pequeña escala de algunos componentes pequeños del sensor) que está asociado con el cambio del teléfono en orientación espacial.

A mi modo de ver, un sensor de este tipo requeriría piezas móviles y no puede ser simplemente otro chip en una placa de circuito.

En estas circunstancias, si me encargaran construir un dispositivo sensible a la inclinación que perciba cambios mínimos en la energía potencial gravitacional, probablemente necesitaría al menos 3 pares de sensores (un par en cada uno de los tres ejes de coordenadas). Además, ¿cómo ver muy sensibles mi smartphone parece ser a la inclinación, que tendría que construir un dispositivo ridículamente grande, con cada sensor en un par colocó varios metros de distancia para alcanzar la inclinación sensibilidad comparable a la de mi teléfono.

Sin embargo, los teléfonos inteligentes tienen dimensiones más pequeñas que las de un sándwich típico, por lo que tener "sensores en un par colocado a varios metros de distancia", además de no ser práctico, claramente no es el caso.

^ Fui despotricando sobre esto, para que pueda tener una idea de mi verdadera perplejidad en la subpregunta que sigue:

¿Cómo es que estos sensores son tan sensibles, a pesar de su pequeño tamaño?

Tienes razón, en cierto sentido. Estos sensores necesitan componentes móviles. Sin embargo, son un chip en su tablero.

Los sensores de inclinación (en realidad, acelerómetros) y giroscopios (y sensores de presión, ...) son parte de una familia llamada MEMS: sistemas microelectromecánicos.

Usando técnicas similares a las que ya son comunes en la fabricación de circuitos integrados, podemos hacer pequeños dispositivos increíbles. Usamos los mismos procesos para grabar cosas, depositar nuevas capas, estructuras en crecimiento, etc.

Estos son dispositivos increíblemente pequeños. Este es un ejemplo de giroscopio:

enlace al sitio web original.

La mayoría de estos funcionan al detectar cambios en la capacitancia. Un giroscopio detectaría los cambios debido a la rotación (lo más importante en la imagen se giraría alrededor del eje central. Esto acercará los dientes pequeños que están entrelazados y aumentará la capacitancia. Los acelerómetros funcionan bajo un principio similar. Estos dientes pueden ser visto en la esquina inferior derecha de la segunda imagen.

¿Qué pasa con la gravedad cero?

No cambiaría mucho en términos del funcionamiento de los dispositivos. Verá, los acelerómetros funcionan al detectar la aceleración. Sin embargo, la clave es que la gravedad es la misma para ellos: simplemente se siente como si estuvieras acelerando a 1G, todo el tiempo. Ellos usan esta "constante" para tener una idea de dónde está "abajo". Esto también significa que si bien los chips funcionarán bien en microgravedad, su teléfono no lo haría; se confundirá ya que parece que no hay "caída".

Adición rápida para abordar un punto (muy bueno) que el usuario GreenAsJade menciona: Cuando observa las definiciones comunes de giroscopios en fuentes como wikipedia , a menudo se describen como algo similar a un disco giratorio. Las imágenes de arriba no parecen tener partes giratorias. ¿Que pasa con eso?

La forma en que resuelven esto es reemplazando la rotación con vibración . El objeto en forma de disco en las imágenes aquí solo está conectado con estructuras muy delgadas y flexibles al eje central. Este disco se hace vibrar alrededor de su eje a alta frecuencia. Cuando mueve toda la estructura a lo largo de un ángulo, esto hará que el disco intente resistirlo continuamente, de forma similar a un giroscopio clásico. Este efecto se llama efecto Coriolis . Al detectar la cantidad de inclinación del disco en comparación con el material sólido circundante, puede medir qué tan rápido está girando.

El dispositivo sensorial es un peso sobre un resorte. De hecho, es "movimiento a pequeña escala de algunos componentes pequeños del sensor", y también es "otro chip en una placa de circuito".

La palabra clave aquí es MEMS . Es posible construir pequeñas estructuras de silicio y luego grabar debajo de ellas, dejando una pieza que flota libremente. Si la pieza es larga y delgada, se deformará bajo la gravedad (o cualquier aceleración) en una cantidad proporcional al módulo de Young. El cambio de posición afecta la capacitancia entre la parte móvil y las partes estacionarias a su alrededor, que puede medirse electrónicamente.

Generalmente tienen un solo acelerómetro de tres ejes. Se puede lograr una mayor precisión agregando giroscopios u otro acelerómetro separado por una distancia; Nintendo hizo esto con los complementos de Wiimote.

Muchos teléfonos también contienen un magnetómetro, que le indica vagamente dónde está el norte magnético en relación con el teléfono, aunque la calibración tiende a ser mala en estos.

Abordar partes específicas de la pregunta:

• ¿Qué hace que los teléfonos inteligentes sean sensibles a la inclinación?

Acelerómetros MEMS. Paquete de chips cuadrados de pocos mm, $ 0.50 o menos en cantidad.

• ¿Retendrán esta habilidad en condiciones de gravedad cero?

No exactamente. Ya no tienen un vector de referencia conveniente. Sin embargo, aún pueden detectar la aceleración, por lo que si tiene una de esas aplicaciones de "sable de luz" y la agita, seguirá funcionando en la ISS. Pero ni usted ni el teléfono tienen una idea clara de "arriba".

(El kit Raspberry Pi enviado allí tiene un acelerómetro y un montón de programas escritos por escolares, por lo que es casi seguro que haya un video que demuestre esto en alguna parte)

La salida bruta de un acelerómetro de 3 ejes es un vector de 3 valores medidos en m / s ^ 2. La magnitud de este vector generalmente será de aproximadamente 1 g, pero la dirección varía. Para un teléfono estacionario, apuntará hacia abajo. Si lo mueve, el vector de aceleración cambiará de dirección. Si deja caer el teléfono, es decir, entra en caída libre de la misma manera que lo haría un teléfono en una nave en órbita, entonces la magnitud se acerca a casi cero. Esto hace que la dirección del vector oscile violentamente y se convierta en ruido.

El uso de acelerómetros como detectores de caídas para la seguridad del disco duro se popularizó hace aproximadamente una década por los Macbooks. La gente encontró otros usos para ellos .

• ¿como funciona?

Respondido con más detalle por otras respuestas.

Teóricamente, sí, un teléfono o tableta podría funcionar tan bien en la Estación Espacial Internacional (ISS) como en la tierra.

Analicemos esto un poco.

Hay dos tipos de movimiento que un dispositivo necesita detectar.

Movimiento lineal

Los acelerómetros autónomos usan la desviación de una masa acoplada por resorte desde un punto de descanso normal como una medida de la fuerza de aceleración en ese eje. Obviamente, necesita tres de estos para detectar movimiento en cualquier eje.

Conociendo y rastreando esas fuerzas, puede "calcular" la velocidad y la dirección de desplazamiento del dispositivo desde su ubicación original de "encendido". Tenga en cuenta un reloj preciso y también puede calcular la posición actual.

Eso suena simple, pero las matemáticas son bastante complejas y los errores en el sistema causan una deriva con el tiempo.

Rotación

La rotación obviamente gira sobre cualquier eje.

Sensores de giro

La rotación se puede medir usando un giroscopio o un sensor de giro. Estos dispositivos nuevamente tienen una masa débilmente acoplada que es libre de rotar, o es impulsada, en un eje particular. Cuando el cuerpo de su dispositivo gira, la diferencia entre las rotaciones le indica cuánto gira el dispositivo.

Los sensores de giro y los giroscopios no se preocupan por la gravedad, aparte de algunas diferencias de fricción.

Rotación del acelerómetro de referencia por gravedad

Dado que los acelerómetros miden la fuerza que actúa sobre una masa suspendida libremente, cuando ese sensor está vertical en relación con la tierra, por supuesto habrá una desviación en el resorte debido al peso de la masa debido a la gravedad. Este desplazamiento es eliminado matemáticamente por el software para extraer la parte de aceleración.

Sin embargo, dado que los acelerómetros de tres ejes producirán diferentes desplazamientos dependiendo de su orientación, es posible detectar matemáticamente el giro a partir de la diferencia en los desplazamientos.

Sin embargo, aunque este método funciona, está sujeto a variaciones en G. No funcionaría en el espacio. También sería significativamente menos funcional en un avión de maniobra. Incluso un automóvil que circula por una curva cerrada a alta velocidad podría ser problemático.

Detección de giro por acelerómetro

Es posible, con dos conjuntos de acelerómetros suficientemente sensibles, detectar el giro a partir de la diferencia de aceleración entre acelerómetros.

Como cada acelerómetro tiene que moverse en relación con el otro, habrá una diferencia en la aceleración en ese eje entre cada uno. Esos valores pueden usarse nuevamente matemáticamente para predecir el giro.

En pocas palabras, si puede saber por los acelerómetros centrados en un extremo del teléfono que el punto central se ha movido a , y el otro extremo ahora está en , calcular los tres ángulos es trivial.X 2 , Y 2 , Z $X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Este método NO se ve afectado por la gravedad.

¿Su teléfono o tableta funcionará en la ISS?

Como puede ver en lo anterior, realmente depende de los métodos que utilice su dispositivo.

Técnicamente podría construirse y programarse para hacerlo. Es posible que deba apagarlo y volver a encenderlo para volver a calibrarlo, pero con los sistemas correctos en su lugar, debería funcionar bien. Al menos para jugar ese "juego de simulación de aviones".

Sin embargo, la deriva puede ser un problema mayor en la EEI. Dado que los teléfonos en G normal tienen la capacidad de saber cuál es la "caída" en ese momento en particular, pueden reajustarse con el tiempo. Una unidad basada en el espacio necesitaría un reinicio manual ocasional para indicar la dirección "normal".

Todos los comentarios y respuestas son geniales para ayudarlo a comprender cómo es posible. Pero, aquí hay algo que lo ayudará a comprender cómo se actualiza en productos reales.

(fuente de imagen)

Este es un pequeño IC (3x3x1 mm!) Por InvenSense. Tiene un acelerómetro de tres ejes (para movimiento lateral), un giroscopio de tres ejes (para rotación) y un magnetómetro de tres ejes (como una aguja de brújula). Tiene un código interno que hará todas las matemáticas complicadas. Casi no necesita energía. Todo esto por $ 10 en cantidades individuales.

Este es solo un ejemplo. Hay varias compañías que hacen productos similares. Algunos son más precisos que otros, algunos son más baratos, la mayoría no tiene el magnetómetro, etc.

¡Que te diviertas!

Este es un caso raro en el sitio de Electrónica donde, ¡ninguna de las respuestas respondió la pregunta de manera clara y nítida!

¿Los teléfonos celulares conservan la capacidad de detectar la inclinación en condiciones de gravedad cero?

La respuesta es:

Conservan (a nivel de hardware) la capacidad de detectar la inclinación , pero ya no pueden detectar la inclinación .

Promover, adicional,

En el nivel del software de la aplicación, de hecho, casi todos (muy probablemente "todos") los escritores de software de la aplicación no permitirían el caso de la esquina de gravedad cero, por lo que es muy probable que las funciones de giroscopio aceleren en general, en general. la mayoría / todas las aplicaciones reales.

Con respecto a cómo funcionan los giroscopios / accesos en los teléfonos, puede buscar fácilmente en Google las API para estos en las dos plataformas ( ejemplo ).

Sin embargo, tenga en cuenta que todos los sistemas operativos a partir de la escritura, en la práctica, envuelven las funciones de giroscopio / aceleración de nivel inferior en algún tipo de conveniente administrador de movimiento de nivel superior :

Accels / gyros, de hecho, están unidos en el nivel del sistema operativo

Entonces, de hecho ...

en la práctica, para cualquier aplicación recién escrita (recordando que, digamos, aproximadamente el 25% de las aplicaciones en la tienda se descomponen / no se actualizan regularmente), todo se reduciría a cómo el equipo de Apple escribió (en su caso) "Coremotion" manejó (si es que lo hizo) el caso del entorno de gravedad cero. (Hay una situación similar para Android).

Y además, para juegos como tales ...

Hoy, casi cualquier juego que elijas y juegues en un teléfono se creó en Unity3D, en lugar de como una aplicación nativa. (Y, por regla general, si observa el conjunto de "aplicaciones que usan los aceleradores / giroscopios", el 90% (¿más?) De ellos son solo juegos). De hecho (en todas las plataformas) los escritores de software son realmente utilizando el nivel de envolturas de software de Unity .

Por lo tanto, el comportamiento real en el caso de la esquina extrema de la órbita terrestre dependería de lo que hicieron esas personas al escribir eso.

Un punto confuso ...

eso no ha sido aclarado. Cuando está escribiendo software para teléfonos, es totalmente común tener que lidiar con la "gravedad cero" ... por cortos períodos de tiempo: es decir, cuando el teléfono está en caída libre . Por lo tanto, si está creando una de las (100s) aplicaciones para skaters, esquiadores o similares que miden el tiempo de espera, etc.

Los giroscopios se introdujeron en los teléfonos aproximadamente en 2010; los acentos estuvieron en ellos desde el principio.

Una compañía francesa / italiana llamada STMicroelectronics fabrica la mayoría de los giroscopios para Apple y Samsung.

Con respecto a los acelerómetros, la mayoría de los teléfonos ahora tienen un par de ellos, ya que funciona mejor de esa manera. He oído que hay más variedad de proveedores de acelerómetros (Bosch, etc.).

Literalmente, puede comprar giroscopios o aceleradores MEMS , si, por ejemplo, está haciendo un juguete electrónico que incluye tal característica.

• Cómo funcionan realmente los acelerómetros MEMS a nivel de sustrato
• Cómo funcionan los giroscopios MEMS

Solo para repetir, la respuesta rápida fundamental a la pregunta planteada es

En "cero g", retienen (a nivel de hardware) la capacidad de detectar la inclinación , pero ya no pueden detectar la inclinación .

En términos del software,

1. sería, casi con toda seguridad, "¡totalmente fallido!" en el loco caso de "estás en órbita". Como ningún ingeniero de aplicaciones o gane (lo sé) sería tan TOC como para cubrir ese caso, pero no olvides ...

2. es totalmente común tener "gravedad cero" ... durante cortos períodos de caída libre (esto se aplica como un asunto común si está creando una de esas "aplicaciones de deportes de acción").

Creo que podrían usar un interferómetro sagnac en teléfonos inteligentes. Un interferómetro Sagnac es un dispositivo que produce un patrón de interferencia constante mientras está en reposo y su patrón varía cuando se gira la configuración.

Entonces, cuando se colocan 3 de tales interferómetros, podemos medir la rotación alrededor de los 3 ejes.

Los interferómetros Sagnac vienen en tamaños muy pequeños y se compone de fibras ópticas para canalizar la luz, una fuente de luz (coherente) y un detector.

Por supuesto, debe calibrarse antes de su uso.