Kiểm tra gia tốc kế

Gia tốc kế quan trọng cho nhiều tính năng người dùng coi là đương nhiên: xoay màn hình tự động, đếm bước, theo dõi giấc ngủ, phát hiện ngã, ổn định thực tế tăng cường, ổn định hình ảnh trong camera và điều khiển chuyển động trong game. Kiểm tra giúp trong nhiều tình huống. Nhà phát triển ứng dụng dựa trên chuyển động cần xác minh tính khả dụng, tần số và sàn nhiễu cảm biến trước khi thiết kế thuật toán. Người dùng nghi ngờ lỗi phần cứng có thể xác nhận liệu trôi cảm biến, đọc số bị mất hoặc giá trị bị kẹt chỉ ra khiếm khuyết đáng yêu cầu bảo hành. Người mua đồ cũ có thể xác minh cảm biến trước khi mua. Người dùng tò mò học vật lý có thể quan sát trọng lực trực tiếp, xem xoay và tịnh tiến xuất hiện khác nhau với cảm biến khung cố định và phát triển trực giác về hành vi MEMS.

Điện thoại đứng yên đặt phẳng úp xuống nên hiển thị: Z gần +9,81 m/s² (trọng lực hướng vào màn hình), X và Y gần không với sàn nhiễu nhỏ ±0,05 đến ±0,2 m/s² tùy cấp cảm biến. Xoay điện thoại sang ngang chuyển vector trọng lực sang X. Dựng điện thoại thẳng đứng đặt trọng lực vào Y. Độ lớn luôn phải tổng cộng xấp xỉ 9,81 m/s² khi đứng yên: sqrt(X² + Y² + Z²) ≈ 9,81. Đi bộ tạo đỉnh dao động ±2 đến ±5 m/s² ở khoảng 2 Hz. Một cú rơi hoặc rung nhẹ tạo đỉnh ±15 đến ±30 m/s². Rơi tự do sẽ hiển thị tất cả các trục ở 0 m/s² trong suốt thời gian rơi. Cảm biến trong điện thoại hàng đầu chạy ở 50–400 Hz với độ phân giải khoảng 12-bit.

Ngay cả khi nghỉ hoàn toàn, gia tốc kế MEMS hiển thị ba loại nhiễu. Nhiễu trắng từ dao động điện đặt sàn nhiễu khoảng 0,01–0,1 m/s²/√Hz cho cảm biến cấp tiêu dùng. Trôi sai số thay đổi đọc số không-g chậm ±0,01 m/s² mỗi phút khi nhiệt độ thay đổi. Rung từ tay bạn (run 1–10 Hz và chuyển động thở) ghép vào cảm biến ở ±0,05 đến ±0,3 m/s². Cùng nhau tạo jitter nhìn thấy. Cảm biến tốt hơn dùng đọc số điện dung nhiễu thấp hơn và lọc số; cảm biến tệ nhất trong điện thoại giá rẻ có thể hiển thị nhiễu ±0,5 m/s² ngay cả khi thực sự đứng yên. Để giảm nhiễu, lấy trung bình 100–200 mẫu (~1 giây) hoặc áp dụng bộ lọc thông thấp. Biết rằng lọc cũng làm chậm phản hồi của bạn với chuyển động thực.

Nhiễu có ba đặc điểm: gần phân bố Gaussian quanh sai số hiện tại, biên độ nhỏ (dưới 0,5 m/s² cho cảm biến khỏe) và không có mẫu thời gian. Chuyển động thực có hình dạng đặc trưng — bước chân tạo đỉnh sắc lên trên theo sau bởi bật xuống kéo dài 100–300 ms, nghiêng điện thoại tạo chuyển đổi mượt nhiều giây khi trọng lực phân phối lại qua các trục, một cú gõ tạo xung một mẫu với nội dung tần số cao, và rơi tự do tạo giá trị gần không đồng thời trên cả ba trục. Bằng cách kiểm tra độ lớn (chuẩn vector) bạn có thể lọc nghiêng (giữ độ lớn tổng) và cô lập tịnh tiến. Ứng dụng fitness hiện đại và đếm bước kết hợp gia tốc kế với con quay để phân biệt giữa xoay và tịnh tiến.

Cả ba cùng tạo thành đơn vị đo lường quán tính (IMU) bên trong điện thoại. Gia tốc kế đo gia tốc tuyến tính bao gồm trọng lực, theo m/s². Con quay đo vận tốc góc quanh ba trục theo radian mỗi giây (hoặc độ mỗi giây), độc lập với hướng. Từ kế đo vector từ trường địa phương theo microtesla (μT), cho tham chiếu hướng tuyệt đối cho chức năng la bàn. Mỗi cảm biến đơn lẻ có hạn chế: gia tốc kế không thể phân biệt xoay với tịnh tiến, con quay trôi trong giây đến phút, từ kế bị méo bởi kim loại và điện tử gần đó. Thuật toán hợp nhất cảm biến như Madgwick hoặc lọc Kalman kết hợp cả ba để tạo ước tính hướng mạnh mẽ dùng cho ổn định hình ảnh, theo dõi AR và điều hướng. Công cụ này chỉ kiểm tra gia tốc kế đơn lẻ.

Gia tốc kế MEMS (hệ thống vi cơ điện) là chip silicon nhỏ khoảng 2×2 mm chứa khối thử nghiệm hiển vi treo bởi lò xo. Khi điện thoại tăng tốc, quán tính giữ khối thử nghiệm tạm thời phía sau, làm cong lò xo tỷ lệ với gia tốc. Độ cong được đo điện dung: cặp điện cực kiểu lược trên khối thử nghiệm và cấu trúc cố định tạo tụ điện biến đổi có giá trị thay đổi với dịch chuyển. Điện tử ASIC chuyển đổi thay đổi điện dung thành điện áp, sau đó thành đếm số qua bộ chuyển đổi tương tự-số tích hợp. Độ nhạy điển hình ở phạm vi 0,0001 g mỗi LSB (bit ít quan trọng nhất) ở cài đặt thang nhỏ nhất. Bosch BMI160, ST LSM6DSO và InvenSense ICM-42688 là chip bên trong hầu hết điện thoại hàng đầu và tuân theo đặc tả IEEE 1057 về độ chính xác đo lường.

Có. Gia tốc được báo cáo trong đơn vị cơ bản Hệ Quốc tế (SI) m/s² như được xác định trong các nghị quyết BIPM CGPM. Tham chiếu hấp dẫn 9,80665 m/s² là trọng lực tiêu chuẩn được CGPM thứ ba (1901) xác định và làm tròn xuống 9,81 trong hầu hết ngữ cảnh kỹ thuật. Cho đặc tả cảm biến, IEEE 1293 bao gồm gia tốc kế đơn trục và IEEE 1554-2014 bao gồm IMU đa trục, xác định phương pháp kiểm tra cho bất ổn định sai số, hệ số thang, mật độ nhiễu và độ nhạy chéo trục. Gia tốc kế điện thoại tiêu dùng thường hoạt động ở phạm vi thang đầy đủ ±2g, ±4g, ±8g hoặc ±16g; phạm vi có thể chọn bằng phần mềm để đánh đổi độ phân giải với sốc tối đa đo được. Gia tốc kế thể thao và xe hơi đến ±100g; cảm biến sống sót va chạm hàng không vũ trụ đạt ±500g hoặc hơn. Tiêu chuẩn IPC J-STD-001 và JEDEC JESD22 cũng quản lý kiểm tra sốc cho chính các chip.