مروری بر سنسور های شتاب سنج

مروری بر سنسور های شتاب سنج

شتاب سنج چیست ؟

شتاب‌سنج (Accelerometer) حسگری می‌باشد که شتاب مکانیکی را به سیگنال الکتریکی متناسب با آن تبدیل می‌کند. شتاب نرخ تغییرات سرعت در واحد زمان می‌باشد که می‌تواند ثابت (شتاب استاتیک) یا متغیر (شتاب دینامیک) و یا گذرا باشد. شتاب‌سنج دارای مدل‌های یک‌محوری و چندمحوری است که می‌توانند اندازه و جهت شتاب را به‌عنوان یک کمیت برداری اندازه‌گیری کنند. شتاب ‌سنج برای اندازه‌گیری ارتعاش، شوک و ضربه به کار می‌رود؛ ولی می‌توان از این حسگر برای کاربرد های دیگری نیز استفاده کرد. به کمک انتگرال‌گیری از شتاب می‌توان سرعت و جابجایی را اندازه‌گیری نمود و با کمک شتاب استاتیک می‌توان زاویه قرارگیری محصول نسبت به محور جاذبه زمین و یا میزان تراز سطح را اندازه‌گیری نمود. امروزه شتاب ‌سنج ‌ها کاربردهای بسیار فراوانی در لوازم الکترونیکی و صنایع مختلف دارند.

شتاب‌ سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه‌گیری می‌کند. شتاب صحیح شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می‌کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش اندازه‌گیری می‌کنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع وجود دارد، و شتاب ‌سنج شتاب نسبت به آن دستگاه شتاب را اندازه می‌گیرد. به این صورت که فرض می‌کند اگر قرار بود در دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمیشد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می‌گیرد و شتابی را که باید داشته باشد حدس می‌زند.

کاربرد شتاب سنج :

شتاب سنج برای اندازه گیری ارتعاش، شوک و ضربه به کار میرود؛ ولی می تواند برای کاربردهای دیگری نیز به کار رود. به کمک انتگرال گیری از شتاب می توان سرعت و جابجایی را اندازه گیری نمود. به کمک مقدار شتاب استاتیک میتوان زاویه قرارگیری محصول نسبت به محور جاذبه زمین و یا میزان تراز سطح را اندازه گیری نمود. لرزه نگاری، هوافضا، خودروسازی، پزشکی، زیست شناسی، زمین شناسی، پایش و عیب یابی ماشین های دوار (موتور و ژنراتور)، روبات ها، موبایل های هوشمند،کنسول های بازی، لپ تاپ (جهت محافظت از هارد دیسک و قطع آن در هنگام اعمال ضربه به لپ تاپ)، لوازم خانگی (لباسشویی، اتو، فن گرم کننده جهت پیشگیری از خرابی یا حادثه)و …

انواع شتاب سنج :

• شتاب سنج خازنی :

شتاب ‌سنج خازنی یکی از دسته‌های متنوع شتاب ‌سنج‌ها هستند. شتاب‌ سنج خازنی بر مبنای تغییرات خازن متغیر کار می‌کنند. وقتی شتاب، صفحات خازن را جابجا می‌کند، یک تغییر قابل اندازه‌گیری در ظرفیت خازن رخ می‌دهد. پاسخ شتاب‌ سنج‌های خازنی از نوع DC است، یعنی هم شتاب استاتیک هم شتاب دینامیک را می‌توان اندازه‌گیری کرد. از این حسگرها برای اندازه‌گیری ارتعاشات فرکانس پایین و شتاب حالت پایدار استفاده می‌شود. برخی از مزایای شتاب‌ سنج خازنی شامل دقت بالا، حساسیت بالا، پاسخ مناسب به ورودی ثابت، عملکرد مناسب در برابر نویز، تغییر کم پارامترهای این شتاب‌سنج‌ها در طول زمان، حساسیت عرضی کم، حساسیت دمایی کم، افت توان پایین، اعمال نیروی فیدبک و سادگی ساختار مکانیکی آنها می‌باشد. پهنای باند این شتاب‌سنج خازنی به خاطر ویژگی‌های فیزیکی آنها محدود به چند صد هرتز است. شتاب‌سنج خازنی برای حرکت با فرکانس کم و اندازه‌گیری شتاب استاتیک مناسب است. برای اندازه‌گیری ارتعاش با فرکانس بالا باید از شتاب‌سنج‌های دیگر از جمله شتاب ‌سنج پیزوالکتریک استفاده کرد.

• شتاب سنج پیزوالکتریک (Piezo Electric):

شتاب سنج پیزو الکترونیک از اثر پیزوالکترونیک (که در مواد خاصی وجود دارد) برای اندازه‌گیری پارامترهای دینامیکی سیستم‌های مکانیکی (از قبیل شتاب، نوسان و لرزه‌های مکانیکی) استفاده می‌کند. همانند سایر سنسورهای مبدل یک شتاب سنج پیزو الکترونیک نیز نوعی از انرژی را به نوع دیگری تبدیل کرده و یک سیگنال الکتریکی متناسب با مقدار، ویژگی یا حالتی که می‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم، به ما می‌دهد. در این شتاب سنج جرم متحرک بصورت فنری به یک کریستال پیزوالکتریک وصل میشود. با تغییر شتاب، نیروی وارده از جرم به کریستال

پیزوالکتریک تغییر می کند و در اثر تنش ناشی از این نیرو، کریستال بارالکتریکی تولید م یکند که شارژ نامیده میشود. برای تبدیل آن به ولتاژ یا جریان از شارژ آمپلی فایر استفاده میشود .

•  پیزومقاومتی (Piezo Resistive):

در این شتاب سنج جرم متحرک به یک لایة پیزورزیستیو که یک شبک پل مقاومتی بر روی آن ایجاد شده است؛ وصل میشود و با تغییر شتاب،خروجی پل وتستون تغییر کرده و میتواند شتاب ثابت تا KHz 5را نمایش دهد.

• تونلی :

در شتاب ‌سنج تونلی (Tunneling Accelerometer) از پدیده تونل‌زنی الکترون برای اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌شود. شتاب‌ سنج تونلی شامل یک شکاف بسیار کم بین نوک تیز و یک صفحه الکترود است (کمتر از ۱۰ نانومتر).

• شتاب سنج حرارتی :

این نوع از شتاب سنج ها براساس تغییرات انتقال حرارت در داخل سنسور، شتاب را اندازه گیری میکنند. داخل محفظة سنسور گاز تزریق شده است و یک منبع حرارت در مرکز سنسور قرار دارد و تعدادی ترمیستور 25 در موقعیت های مشخص سنسور جهت اندازه گیری دما نصب شده اند. درحالت عادی دمای گاز در کل مخزن یکسان میباشد؛ ولی با اعمال شتاب، گاز در جهت مخالفِ حرکت، جابجا میشود و شرایط انتقال حرارت گاز داخل مخزن تغییر می کند و این تغییرات حرارتی 26 شتاب خروجی را تعیین می نماید.

• شتاب سنج نوری :

شتاب سنج نوری یا شتاب سنج های لیزری به روش غیر تماسی ارتعاشات را اندازه گیری می نمایند. در این شتاب سنج ها یک اشعه لیزر به سطح مورد نظر تابیده و با اندازه گیری جابجایی داپلر فرکانس یا فاز اشعه برگشتی از سطح، دامنه و فرکانس ارتعاش به دست می آید. معمولاً سیگنال خروجی این شتاب سنج ها که ویبرومترلیزری داپلر 24 نیز نامیده م یشوند، یک سیگنال ولتاژ آنالوگ پیوسته می باشد که متناسب با سرعت جسم در جهت ارتعاش مورد اندازه گیری می باشد. مهم ترین مزیت این نوع سنسورها استفاده در محل هایی است که امکان دسترسی به آنها خیلی مشکل میباشد یا خیلی کوچک هستند یا دارای حرارت خیلی بالا میباشند. در ضمن؛ این شتاب سنج ها هیچ گونه بارگذاری جرمی ندارند و برای اندازه گیری ارتعاش اقلام خیلی ریز مفید می باشند  شتاب سنج ها در بازرسی غیرمخرب هواپیما، طراحی بلندگوها عیب یابی تجهیزات موسیقی، تست سازه ها و پل ها، آزمون های خودرو، عیب یابی هارد دیسک کامپیوتر، معدن یابی و مسائل امنیتی و جاسوسی کاربرد دارند. این شتاب سنج ها دارای انواع سه بعدی، زاویه ای، تفاضلی و …می باشند.

• شتاب سنج اثر هال(Hall Effect) :

این نوع را از روی تغییرات ولتاژ در یک میدان مغناطیسی اندازه گیری می کنند. اگر یک آهنربا بر روی جرم محک نصب گردد،خروجی سنسور اثر هال بر اثر اعمال شتاب و تغییر موقعیت آهن ربا تغییرکرده و مقدار متناسب با شتاب را در خروجی ظاهر می نماید. در بعضی موارد به جای سنسور اثر هال از مواد مگنتورزیستیو استفاده میشود و شتاب سنج به عنوان نوع مگنتورزیستیو شناخته میشود .

• LVDT)linear variable differential transformer)

این نوع  مانند شتاب سنج پتانسیومتری می باشد ولی بجای پتانسیومتر از LVDT برای اندازه گیری جابجایی جرم استفاده شده است. جرم در این نوع، همان هسته LVDT می باشد. این روش نیز برای شتاب ثابت و فرکانس پایین تا 80 Hz کاربرد دارد.

سیستم های الکترومکانیکی ­(MEMS)

شتاب‌سنج‌های جدید معمولا بر پایه سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (Micro-electromechanical Systems) هستند. این ادوات در واقع ساده‌ترین ادوات تحقق پذیر MEMS هستند . شتاب سنج‌های میکرومکانیکی برای اندازه‌گیری در محدوده‌های بسیار وسیعی، که به هزاران g هم می‌رسد، به کار می‌روند. سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) تکنولوژی فرایندی است که برای ایجاد دستگاه های یکپارچه یا سیستم هایی که اجزای مکانیکی و الکتریکی را بکار میروند . آن ها با استفاده از تکنولوژی پردازش دسته ای یکپارچه (IC) و می تواند در اندازه از چند میکرومتر به میلیمتر باشند . این دستگاه ها (یا سیستم ها) توانایی حس کردن،کنترل و حرکت بر روی مقیاس میکرو و ایجاد اثرات در مقیاس بزرگ را دارند .

در مقالات قبلی با سنسور های گاز شهری اشنا شدیم، پس بعد از این مقاله بهتره سری به ان مقاله هم بزنید.