توضیحی بر شتاب سنج‌های mems و piezo و geophone

شتاب سنج

شتاب سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش ‘m/s^2’  9.8 g=اندازه گیری می کنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع مانا وجود دارد، و شتاب سنج شتاب نسبت به آن دستگاه شتاب را اندازه می گیرد. به این صورت که فرض می کند اگر قرار بود در دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمی شد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می گیرد و شتابی را که باید داشته باشد حدس می زند.

شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه می شود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که در یک سفینه فضایی با شتاب {g\1} حرکت می کند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت نیروی گرانش {g\1} قرار دارد وجود ندارد و تحت اثر همان گرانش نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار تحت اثر آن ها است؛ بنابراین شتاب سنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفته است شتابی برابر {g\1} به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی به سمت بالا شتاب می گیرد. این دستگاه مرجع لخت محلی دستگاه یک جسم در حال سقوط آزاد روی سطح زمین است. برای اینکه مقدار شتاب خالص ناشی از حرکت را نسبت به زمین به دست آوریم باید مقدار تفاوت شتابی که گرانش ایجاد می کند، را کم کرد.

از آنجایی که نیروی گرانش موجب شتاب صحیح نمی شود و شتاب سنج نسبت به شتاب گرانشی حساس نیست، و مقدار آن را نمی تواند مستقیماً اندازه گیری کند این موضوع به طور کلی در مورد هر میدان گرانشی درست است.

علت وجود اختلاف به دلیل گرانش را می توان با اصل هم ارزی انیشتین توجیه کرد. این اصل بیان می کند که اثر گرانش بر اجسام از اثر شتاب دستگاه مرجع غیرقابل تفکیک است. هنگامی که در یک میدان گرانشی به وسیله اعمال نیروی واکنش از طرف زمین یا نیروی مخالف برابر دیگری به سمت بالا در حالت سکون هستیم، دستگاه مرجع برای یک شتاب سنج (بدنه شتاب سنج) نسبت به دستگاه مرجع متصل به جسم در حال سقوط آزاد دارای شتابی به سمت بالا است. اثر شتاب این دستگاه مرجع از هر شتاب دیگری که روی ابزار اعمال می شود، غیرقابل تفکیک است؛ بنابر این یک شتاب‌سنج نمی تواند تفاوت بین نشستن درون یک موشک روی سکوی پرتاب و حرکت در همان موشک با شتاب {g\1} اعماق فضا را تشخیص دهد.

به همین دلیل یک شتاب سنج در هنگام سقوط آزاد شتاب صفر را نشان می دهد. این موضوع شامل استفاده از شتاب سنج درون یک سفینه اکتشافی در اعماق فضا و به دور از هر جرم، سفینه ای که به دور زمین می گردد هواپیمایی که در قوس سهموی صفر ،  g- یا هر مسیر سقوط آزاد دیگری در خلأ را طی می کند، می شود. یک مثال برای این مورد سقوط آزاد از ارتفاع زیاد با صرف نظر از اثر اتمسفری است. اگرچه این موضوع در مورد یک سقوط غیر آزاد که مقاومت هوا موجب نیروی پس کشی کاهش شتاب می شود صدق نمی کند، ولی پس از اینکه به سرعت حد رسیدیم، شتاب سنج شتاب{g\1}  به سمت بالا را احساس می کند. این شتاب ناشی از نیروی پس کشی است. مثالی عملی از این مسئله هنگامی است که یک چترباز در حال سقوط به سرعت حد می رسد و دیگر احساس نمی کند که در حال سقوط آزاد است و احساسی مشابه خوابیدن روی تختی از هوا دارد.

شتاب در دستگاه  SI با واحد متر بر ثانیه بر ثانیه (m/s2)، در دستگاه cgs با واحد    Gal  و به طور معمول با واحد نیروی گرانش(g) تعیین می شود.

به دلایل عملی برای اندازه گیری شتاب اجسام نسبت به زمین، مثلاً برای استفاده در سیستم های ناوبری ماندی، اطلاعاتی از گرانش در محل مورد نیاز است؛ که این مشکل از طریق تنظیم دستگاه در حالت سکون یا از طریق یک مدل تقریبی از گرانش در محل کنونی برطرف می شود.

شتابسنج piezo و طرز کار آن:

عملکرد کریستال پیزو به این صورت است که وقتی به آن نیرو وارد شود، از خودش جریان تولید میکند.

از آنجایی که نیرو حاصل ضرب شتاب در جرم است، لذا با داشتن جریان خروجی از کریستال پیزو، شتاب را می توان محاسبه کرد.

روابط محاسباتی آن در ابن تصویر نشان داده شده.

مزایای این سنسور به این قرار است:

Self-Generating  بودن

این سنسور قطعه متحرک(Moving Part)  ندارد. لذا سایش قطعات وجود ندارد و نیازمند انجام کالیبراسیون سالیانه نیست.

شتاب سنج پیزو الکتریک فوق العاده محکم(Rugged) است.

داینامیک (Dynamic Range) رنج فوق العاده بالایی دارد. داینامیک رنج یعنی نسبت به بزرگترین عددی که سنسور میتواند اندازه کند به کوچکترین عددی که سنسور میتواند اندازه گیری کند. داینامیک رنج شتاب سنج پیزوالکتریک ۱۰۸ به یک می باشد.

محدوده فرکانسی(Wide Frequency Range)  سنسور فوق العاده بالا بوده و میتواند تا فرکانس Khz 20 را اندازه گیری کند.

این سنسور سبک وزن بوده و به سادگی نصب میشود. جهت نصب و کالیبره دستگاه لازم به خاموش کردن ماشین نمی باشد. فقط کافی است سنسور را به پوسته یاتاقان متصل نمایید.

معایب:

از معایب این سنسور میتوان به  High Impedance Outputو

No DC Response اشاره کنیم.

همچنین این سنسور نیازمند به External Power Supply می‌باشد.

سنسور هایgeophone:

اگر شما بدنبال اندازه گیری بازتاب موج های لرزه ای هستید باید از این سنسور استفاده کنید.

این سنسور ها برای اندازه گیری سرعت بکار میروند و شامل یک هسته مغناطیسی که با یک سیم پیچ الکتریکی احاطه شده است میباشد.

هسته مغناطیسی به بدنه متصل میباشد و با آن حرکت میکند. سیم پیچ هم با چند رشته سیم نازک به بدنه متصل میشود.

وقتی زمین به لرزه می افتد بدنه شروع به حرکت میکند اما سیم پیچ سر جای خود باقی میماند. حرکت آهنربای درون سیم پیچ همراه با ایجاد جریان الکتریکی میباشد که سرعت لرزش را اندازه گیری میکند.

یکی از مهم ترین مشخصه های geophone ها این است که فقط فرکانس های بالاتر از فرکانس طبیعی خود را اندازه گیری میکنند.

سنسور های geophone یکی از پر کاربرد ترین سنسور ها برای اندازه گیری ضربه و حرکات ساختمان میباشند.

سنسور های:mems

سیستم های میکروالکترومکانیکی

(به انگلیسی MEMS:Micro electro mechanical systems ) فناوری سیستم های بسیار کوچک در ابعاد میکرومتر (یعنی یک میلیونم متر و یا یک هزارم میلی متر) است.

سنسور mems فناوری واقعا توانایی است که با درک و کنترل قابلیت‌های میکروسنسورها و میکرو محرک ها و به وسیله توانایی محاسبات دستگاه های میکرو الکترونیکی موجب پیشرفت در تولیدات هوشمند می شود. MEMS همچنین فناوری بسیار گسترده و مستعدی است، چه در کاربرد و چه در نحوه ساخت و طراحی ابزارها.

این سنسور ها در ساده ترین حالت خود با کمک اندازه گیری پدیده های مکانیکی، گرمایی، زیستی، شیمیایی، نوری و مغناطیسی، اطلاعات را از محیط جمع آوری می کنند. پس از اخذ اطلاعات از حسگر ها، دستگاه های الکترومکانیکی به کمک قدرت تصمیم گیری خود، محرک ها را به پاسخ هایی چون حرکت، جابجایی، تنظیم کردن، پمپ کردن و فیلترکردن وادار کرده، محیط را به سمت نتایج موردنظر هدایت می کنند.

از آنجا که دستگاههای MEMS همانند IC ها با تکنیکهای ساخت ناپیوسته ساخته می‌شوند، می توان سطح بسیار بالایی از کارکرد، اطمینان و پیچیدگی را با هزینه اندک بر روی تراشه کوچک سیلیکونی شکل داد.

مزایا:

این سنسور به عنوان یک تکنولوژی ساخت مزایای زیادی دارد. در MEMS تکنولوژی ساخت گروهی، به افزایش بازده و قابلیت اطمینان، کاهش اندازه، وزن و قیمت می انجامد. همچنین MEMS پایه تولید محصولاتی است که به روش های دیگر قابل تولید نیستند. در کنار مزایای MEMS موانع و مشکلات ، تکنولوژیکی زیادی بر سر راه کوچک سازی وجود دارد که می بایست بر آن ها غلبه کرد. در این سیستم ها میکرو حسگر تغییرات محیط اطراف سیستم را از طریق اندازه گیری پدیده ها و اطلاعات مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی، شیمیایی و یا الکترومغناطیسی شناسایی می کند. بخش میکروالکترونیک این اطلاعات را پردازش می کند و سیگنال کنترلی را به عملگر می فرستد تا تغییرات لازم انجام شود.

میکرو الکترو مکانیکال سیستم(MEMS) می تواند در صنعت خودروسازی، الکترونیک، ارتباطات و غیره کاربرد داشته باشد. قطعات موجود MEMSشامل شتاب سنج، کیسه هوای خودرو، هد پرینتر های جوهرافشان، حسگر های فشار خون، میکرو سوئیچ های نوری، حسگر های بیولوژیکی و غیره می باشند.