مقایسه سنسور های شتاب  MEMS ، پیزو و ژئوفون

روش های اندازه گیری شتاب

اندازه گیری شتاب به موارد زیر تقسیم میشود:

 ارتعاش : به جسمی که در محدوده یک وضعیت متعادل نوسان کند گفته میشود که ارتعاش دارد. ارتعاش یا لرزش را می توان در حمل و نقل، جو زمین، و محیطهای صنعتی

یافت.

شوک یا ضربه : تحریک ناگهانی و زودگذر یک ساختار باعث ایجاد رزونانس ساختاری میشود.

یک پالس ضربه می تواند در نتیجه انفجار، ضربه یک چکش، یا تصادف یک وسیله نقلیه ایجاد شود.

جنبش : عبارتست از حرکت آهسته یک رویداد مانند حرکت بازوی یک روبات.

سیزمیک  : این رویداد بیشتر شبیه یک حرکت کند یا ارتعاش با فرکانس پایین است.

اندازه گیری این کمیت به شتاب سنج ویژه با دقت تفکیک بالا و نویز کم نیاز دارد. از شتاب سنجهای سیزمیک برای اندازه گیری حرکت پلها و زمین لرزه استفاده میشود.

در حالت كلي از سنسورهاي شتاب به دو روش در وضعيت‌سنجي استفاده مي‌شود. روش اول انتگرال‌گيري از شتاب و بدست آوردن تغييرمكان مي‌باشد و روش دوم استخراج

فركانس ‌هاي  ارتعاشي و شكل‌هاي مودي سازه مي‌باشد كه معمولا روش دوم متداولتر است. از آنجايي كه ويژگيهاي مورد نياز سنسور شتاب براي انجام هر يك از اين دو هدف

متفاوت است، انجام توامان اين دو عمل همواره امكان پذير نيست.

چند نکته

شتاب سنج های جدید معمولا بر پایه ی سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) هستند. این ادوات دارای یک تیر یک سر آزاد (cantilever beam) هستند که به یک جرم لرزه ای

متصل است ؛ علاوه بر این، شتاب سنج ها  شامل اجزای دیگر نیز می باشند. میراکنندگی شتاب سنج در اثر گازهای باقیمانده ی محبوس شده در داخل دستگاه ایجاد می شود.تحت

اثر شتاب خارجی جرم لرزه ای متصل به تیر آزاد از مکان طبیعی خود منحرف می شود. این انحراف به صورت آنالوگ یا دیجیتال اندازه گیری می شود. معمولا ظرفیت خازن بین

مجموعه ای از تیرهای ثابت و  تیرهایی که به جرم های لرزه ای متصل اند . اندازه گیری می شوند.

این روش ساده، قابل اعتماد و ارزان است. گنجاندن مقاومت های پیزو (piezoresistor) در فنر ها برای آشکارسازی تغییر شکل فنر و  انحراف آن ها جایگزین خوبی برای روش قبل می

باشد. این روش تنها چند مرحله پردازش اضافه در فرایند ساخت نیاز دارد. برای حساسیت های بالا از تونل زنی کوانتومی نیز استفاده می شود. این روش نیاز به یک پردازش

اختصاصی دارد که آن را بسیار گران می کند.

کاربرد شتاب سنج

در زیر به چند مورد از کاربرد های شتاب سنج اشاره شده است:

ربات های خود متعادل
هواپیماهای مدل بدون سرنشین
 سیستم های هشدار
 کشف برخورد
 ردیابی حرکات انسان
 سنسور تراز یا تعیین سطح افق
 کشف ارتعاشات برای عایقهای ارتعاشی
 کشف کننده شتاب زمین

شتاب سنج های MEMS

یکی از معمول ترین کاربرد های شتاب سنج های MEMS در گسترش سیستم کیسه هوا در وسایل نقلیه مدرن است . 

کاربردهای Mems به قدری زیاد است که تقریبا در  زمینه های مختلف صنعتی، شامل سیستم های ،مکانیکی الکتریکی یا به نوعی استفاده می شود و یا فاز تحقیقاتی را طی می

نماید.

ساخت سنسورها در مقیاس میکرو نسبت به سنسورهای سنتی در مقیاس ماکرو دارای سه مزیت عمده قیمت پایین، اندازه کوچک و مصرف کم است. با نگاهی دقیق تر میتوان

مزایای زیر را به نقاط قوت مذکور اضافه کرد:

1- آسانی ساخت و سرعت در تولید انبوه

2- قابلیت ساخت سیستم بصورت یکپارچه

3- کاهش فرسودگی و پایداری مشخصه ها در زمان بیشتر

4- دقت چیدمانی چند سنسور روی یک مدار ، مزیت کاهش نویزهای مزاحم و افزایش سرعت مونتاژ و راه اندازی را در پی دارد.

موارد کاربرد

بیشترین کاربرد صنعتی این شتاب سنجهاء در صنایع خودروسازی است. آنها جهت فعال کردن سیستم ایمنی خودرو ، سیستم پایداری خودرو، کنترل الکترونیکی سیستم تعلیق و

نیز در ترمز ضد الغزش استفاده می شوند.

علاوه بر صنعت خودرو، شتاب سنجها در موارد عدیده دیگری از قبیل مشاهده گرهای شک و ضربه، مانیتورینگ ارتعاشات، بیومدیکال جهت مانیتورینگ فعالیت ها، رباتیک، صفحه

پایدار، لرزه نگاری، اکتشافات نفت، ناوبری و هدایت و اندازه گیری میکرو جاذبه در فضا کاربرد دارند.

جدول کاربرد

بطور کلی موارد عمده کاربرد شتاب سنج در صنعت  در زیر آمده است:

چند تفاوت شتاب سنج MEMS با دیگر شتاب سنج ها

1- در شتاب سنج Mems جرم و عضو الاستیک با استفاده از میکرو ماشین کاری در داخل ویفر سیلیکان ایجاد می گردند.

در اغلب شتاب سنجها جرم از جنس پلیسیلیکان با ضخامت چند میکرون و طول و عرض چند ده میکرون میباشد . و با روش ماشین کاری سطحی بر زیرلایه سیلیکانی ایجاد می

گردد.

در ساخت شتاب سنجهای دقیق تر که به دلیل لزوم کاهش فرکانس طبیعی نیاز به جرم بزرگتر دارند، از روش حجمی و یا ترکیب دو روش استفاده میشود.

2- دیگر فرق  شتاب سنج Mems با شتاب سنج های مقیاس ماکرو، حساسیت زیاد آنها در مقابل تغییرات درجه حرارت است .

چون  سرعت انتقال حرارت در اجسام با مجذور بعد  نسبت عکس دارد . 

بدین معنی  اگر ابعاد جسمی هزار برابر کوچک شود ، انتقال حرارت یک میلیون برابر سریع تر می گردد.

بطور کلی

در شتاب سنج های Mems که با هدف رسیدن به کارایی بالا ساخته میشوند.، افزایش اندازه جرم و در نتیجه کاهش فرکانس طبیعی، موجب افزایش دامنه جابه جایی جرم می گردد.

اگرچه این افزایش امری مطلوب است و موجب افزایش حساسیت و دقت اندازه گیری می شود، بیشینه شتاب قابل اندازه گیری و همچنین مقاومت سنسور در مقابل ضربه را کاهش

میدهد. به همین دلیل در این گونه شتاب سنجها از مدار حلقه بسته استفاده می شود .

به علت تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد و نیاز به ارزیابی های مختلف ، شتاب سنجهای Mems با مشخصه های مختلف، برای مقاصد گوناگون طراحی می شوند (طراحی بر مبنای

کاربرد ) و از این جهت دارای انواع گوناگون با رنج های دینامیکی و فرکانسی مختلف هستند.

به طور کلی، هر چه توانایی شتاب سنج برای اندازه گیری شتابهای زیاد افزایش یابد ، حساسیت آن کاهش می یابد . میزان نویز  آن بالاتر است و پهنای باند بزرگتری به دست می

آید. از طرف دیگر، هر چه شتاب سنج بخواهد دقیق تر شود و کمینه شتاب قابل اندازه گیری در آن کاهش یابد . باید حساسیت آن افزایش یابد، نویز آن پایین تر باشد و در

این حالت پهنای باند کوچکتری به دست می آید . افزایش پارامترهایی از قبیل محدوده دینامیکی و سیگنال به نویز ، بیانگر داد و ستد بهتر می باشد.

شتاب سنج های پیزوالکتریک

شتاب سنج ها  بر اساس قوانین مختلفی کار می کنند ، برخی براساس اثر پیزو الکتریکی، بر اساس کار پیزوترانزیستورها، بر اساس قوانین رزوناتورها، بر اساس قوانین حاکم بر تور،

مکانیزم سرو و … کار می کنند.

شتاب سنج های پیزو الکتریک، سنسورهایی که نیروهای مکانیکی  اعمال شده شان را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند.

 اثر پیزو در یکی از آزمایشگاه های فرانسه مشاهده شد . دو تن از فیزیکدانان به نام های پاول ژاکوبز کوری و  پیر کوری حين مطالعه اثر پیرو الکتریکی، مشاهده کردند . 

هنگامی که کریستال هایی که بر روی آنها کار می کردند . در یک راستای بخصوص تحت یک نیروی مکانیکی قرار می گیرند، یک پلاریزاسیون الکتریکی رویشان انجام می گیرد .

نتیجه آن، یک میدان الکتریکی در آنها بوجود میاید.

اثر پیزوالکتریک

اثر پیزو الکتریک عبارت است از ایجاد پتانسیل الکتریکی به خاطر اعمال یک فشار مکانیکی .

 مواد دارای این خاصیت = مواد پیزوالکتریکی که کریستال های طبیعی و مصنوعی همچون کوارتز هستند .

انواع کریستال های پیزو الکتریکی :

طبیعی: کوارتز ، تورمالین ،BGO ،گالیم فسفات

مصنوعی: باریم تیتانیات ، PZT ، PMN-PT ، PZT-PT

اجزای سنسور

1)

1 . تحت یک عملیات حرارتی کاملا دقیق و کنترل شده، ساخته می شوند.

2. پس از ساخت، در حالت عادی هیچ گونه اثر پیزو الکتریکی از خود بروز نمی هند.

 3. به دو طریق پلاریزه می شوند:حرارتی ، تحت میدان

2)

1. قسمت مکانیکی از چهار قسمت تشکیل شده است.

 2. بخش اصلی قسمت مکانیکی، سیستم جرم وفنر است.

 3. بخش مکانیکی به صورت صلب طراحی می شود.

3)

مزایای پیزوالکتریک

1. محدوده پویای بسیار گسترده، تقریبا بدون نویز .

2. مناسب برای اندازه گیری شوک و همچنین برای ارتعاش تقریبا غیر قابل تشخیص.

3. خطی عالی در محدوده دینامیکی آنها.

4. محدوده فرکانس وسیع، فرکانس بالا را می توان اندازه گیری کرد.

5. کامپکت بسیار حساس است.

6. هیچ بخش متحرک – عمر طولانی مدت.

7. خود تولید – هیچ نیروی خارجی مورد نیاز نیست.

8. ادغام سیگنال خروجی سرعت و جابجایی را فراهم می کند.

تفاوت سنسور MEMS و پیزوالکتریک

کاربردها

1. صنایع هوایی و نظامی :  تست لرزه هواپیما، هلیکور، ماهواره ها .

2. به خاطر پاسخ فرکانسی گسترده  می توانند در بخش مانیتورینگ  تجهیزات صنعتی، جای انسان ها را بگیرند.

3.کارخانه تولید ماشین آلات .

4. شناخت و آنالیز تحمل ماشین آلات .

5. هواپیماهای آلومنیومی .

6. بررسی سطح تحمل لرزه ماشین آلات .

دلیل این که این سنسورها اینقدر پر کاربرد هستند آن است که فرکانس طبیعی بالایی دارند و در رنج دامنه بالایی بصورت خطی عمل میکنند.

اضافه بر این تکنولوژی  پیزوالکتریک به میدان های مغناطیسی و تابش های رادیو اکتیو حساس نمی باشند ، که این آنها را قادر به اندازه گیری در شرایط سخت می سازد.

انواع شتاب سنج های پیزوالکتریکی

شتاب سنجهای پیزوالکتریک از نظر نحوه تأثیر پذیری از ارتعاش و تولید سیگنال الکتریکی، به دو دسته بندی می شوند: نوع فشاری (Compression type) و نوع برشی (Shear Type).

 المان اصلی این نوع از شتاب سنجها از مواد پیزوالکتریک مثل کوارتز و یا انواع خاصی از سرامیک ساخته می شود.

مقایسه سنسور های پیزوالکتریک با دیگر سنسور ها

1. تنها ضعف سنسورهای پیزوالکتریک  این است که آنها نمیتوانند برای اندازه گیری های صحیح استاتیکی به کار روند.

2. افزایش دما باعث یک افت اضافه ای در مقاومت درونی میگردد . از این رو ، فقط سنسورهای پیزوالکتریک  میتوانند در یک درجه حرارت زیاد برای کارکردن در یک مقاومت

درونی زیاد مورد استفاده قرار گیرند.

بطور کلی

گستره فرکانسی اندازه گیری توسط این سنسورها از حدود چند هرتز تا ۳۰ کیلوهرتز، گستره  از حساسیت، وزن، اندازه  را در اختیار کاربر قرار می دهد.

 شتاب سنجهای PE با خروجی جریان و ولتاژ در دسترس اند. شتاب سنج های پیزوالکتریک مهمترین ابزار کاربردی برای اندازه گیری شوک و ارتعاشات هستند. این وسیله نیز شبیه

سنسورهای مکانیکی شامل یک جرم است که وقتی تحت شتاب قرار می گیرد یک نیروی اینرسی در یک کریستال پیزوالکتریک اعمال می کند.

سنسور ژئوفون

Geophone دستگاهی است که حرکت زمین (سرعت) را به ولتاژ تبدیل می کند که ممکن است در یک ایستگاه ضبط ثبت شود. انحراف این ولتاژ اندازه گیری شده از خط پایه پاسخ

لرزه ای است و برای ساختار زمین مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

Geophones از لحاظ تاریخی دستگاه های آنالوگ منفعل بوده اند .  طرح های اخیر براساس تکنولوژی میکرو الکترومکانیکی ( MEMS ) ساخته شده اند که پاسخ الکتریکی به

حرکت زمین را از طریق یک مدار بازخورد فعال برای حفظ موقعیت یک قطعه کوچک سیلیکون تولید می کند.

تفاوت سنسور های ژئوفون با MEMS

1. پاسخ یک ژئوفون متناسب با سرعت زمین است . در حالی که دستگاه های MEMS معمولا نسبت به شتاب پاسخ می دهند.

2. MEMS سطح نویز بسیار بالاتر (سرعت 50 دسیبل بالاتر) نسبت به geophones دارد و تنها می تواند در حرکت قوی یا کاربرد لرزه ای فعال استفاده شود.

3. نقطه ضعف geophone پاسخ فرکانسی فاز غیر خطی درون باند است.

4. Geophones  کاهش قابل توجهی در ثبت دامنه های سرعت زیر فرکانس طبیعی خود را تحمل میکند. شتاب سنج MEMS می تواند به ضریب 1 هرتز بدون کاهش نسبی در دامنه شتاب ضبط کند.

پاسخ فرکانسی ژئوفون

پاسخ فرکانسی یک geophone  یک نوسان ساز هارمونیک است که به طور کامل توسط فرکانس گوشه (معمولا حدود 10 هرتز) و کاهش (به طور معمول 0.707) تعیین می شود.

 از آنجا که فرکانس گوشه متناسب با ریشه مربع معکوس جرم متحرک است، ژئوفون ها با فرکانس های کم (<1 هرتز) غیر عملی می شوند. این ممکن است فرکانس گوشه را به

صورت الکترونیکی پایین بیاورد و نویز و قیمت را بالا ببرد.

کاربرد ها

اکثر geophones ها  برای ضبط امواج انرژی بازتاب یافته توسط زمین شناسی زیر زمین استفاده می شود. Geophones آنالوگ دستگاه بسیار حساس است که می تواند به لرزش بسیار دور

پاسخ دهد. حسگر geophones غیرفعال معمولا 30 ولت / (متر / ثانیه) است، بنابراین آنها به طور کلی جایگزین برای سنجش پهنای باند نیستند.