کالیبراسیون سنسورهای شتاب
سنسور شتاب (شتاب سنج) چیست؟
شتاب سنج سنسوری 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. شتابسنج برای اندازهگیری ارتعاش، شوک و ضربه به کار میرود؛
ولی میتوان از این حسگر برای کاربردهای 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 شتابسنجها کاربردهای بسیار فراوانی در
لوازم الکترونیکی و صنایع مختلف دارند.
اصول کاری سنسور شتاب
شتابسنج 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
‘g=9.8 m/s^۲’اندازهگیری میکنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک
دستگاه مرجع مانا وجود دارد، و شتابسنج 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.
بیان فیزیکی اندازه گیری شتاب
شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه میشود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی
بین جسمی که در یک سفینه فضایی با شتاب حرکت میکند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت
نیروی گرانش قرار دارد وجود ندارد و تحت اثر همان نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار
تحت اثر آنها است؛ بنابراین شتابسنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفتهاست شتابی
برابر به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی
به سمت بالا شتاب میگیرد. 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 میکند، را کم کرد. از آنجایی که نیروی گرانش موجب شتاب صحیح نمیشود و شتابسنج نسبت به
شتاب گرانشی حساس نیست، و مقدار آن را نمیتواند مستقیماً اندازهگیری کند، این موضوع بهطور کلی در مورد
هر میدان گرانشی درست است.
توجیه
علت وجود اختلاف به دلیل گرانش را میتوان با اصل همارزی انیشتین توجیه کرد. این اصل بیان میکند که اثر گرانش
بر اجسام از اثر شتاب دستگاه مرجع غیرقابل تفکیک است. هنگامی که در یک میدان گرانشی به وسیلهٔ اعمال
نیروی واکنش از طرف زمین یا نیروی مخالف برابر دیگری به سمت بالا در حالت سکون هستیم، دستگاه مرجع برای
یک شتابسنج (بدنهٔ شتابسنج) 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 میشود، غیرقابل تفکیک است؛ بنابراین
یک شتابسنج نمیتواند تفاوت بین نشستن درون یک موشک روی سکوی پرتاب و حرکت در همان موشک با شتاب
در اعماق فضا را تشخیص دهد.
به دلایل عملی برای اندازهگیری شتاب اجسام نسبت به زمین، مثلاً برای استفاده در سیستمهای ناوبری ماندی،
اطلاعاتی از گرانش در محل مورد نیاز است؛ که این مشکل از طریق تنظیم دستگاه در حالت سکون[۳] یا از طریق
یک مدل تقریبی از گرانش در محل کنونی برطرف میشود.
ساختار فیزیکی سنسور شتاب
شتابسنجهای جدید معمولاً بر پایهٔ سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) هستند. این ادوات در واقع سادهترین
ادوات تحقق پذیر MEMS هستند. این ادوات دارای تیر آزادی (cantilever beam) هستند که به یک جرم لرزهای متصل
است میباشند؛ علاوه بر اینها شامل اندکی اجزای دیگر نیز میباشند. میراکنندگی در اثر گازهای باقیماندهٔ محبوس
شده در داخل دستگاه ایجاد میشود. تا زمانی که Q-factor خیلی کم نیست، میراکنندگی موجب حساسیت کم
نمیشود. تحت اثر شتاب خارجی جرم لرزهای متصل به تیر آزاد از مکان طبیعی خود منحرف میشود. این انحراف
به صورت آنالوگ یا دیجیتال اندازهگیری میشود. معمولاً خازن بین مجموعهای از تیرهای ثابت و مجموعهای از تیرهایی
که به جرمهای لرزهای متصل اند اندازهگیری میشوند. این روش ساده، قابل اعتماد و ارزان است. گنجاندن مقاومتهای
پیزو (piezoresistor) در فنرها برای آشکارسازی تغییر شکل فنر و متعاقباً انحراف آنها جایگزین خوبی برای روش قبل میباشد.
این روش تنها چند مرحله پردازش اضافه در فرایند ساخت نیاز دارد. برای حساسیتهای بالا از تونل زنی کوانتومی نیز
استفاده میشود. این روش نیاز به یک پردازش اختصاصی دارد که آن را بسیار گران میکند. اندازهگیریهای نوری در
محیط آزمایشگاهی انجام شدهاند.
.
نوع غیرمعمول دیگری از شتابسنجهای بر مبنای تکنولوژی MEMS شامل یک گرمکننده کوچک در پایین یک برآمدگی
توخالی خیلی کوچک است. گرمکننده هوای داخل محفظه را گرم میکند و موجب بالا آمدن آن میشود. یک ترموکوپل
بر روی محفظه مشخص میکند در کجا هوای گرم به محفظه میرسد و انحراف آن از مرکز برآمدگی محفظه اندازهگیریی
از شتابی است که به سنسور اعمال شدهاست. بیشتر شتاب سنجهای میکرو مکانیکی در صفحه کار میکنند، به این
معنی که طوری طراحی شدهاند که تنها به شتاب در راستای برش زیرلایه (die) حساس هستند. به وسیله ترکیب کردن
دو وسیله به صورت عمود بر یکدیگر بر روی یک زیرلایه میتوان یک شتاب سنج دو محوری ساخت که شتاب را در دو راستا
اندازهگیری میکند. به وسیله اضافه کردن یک وسیله شتاب سنج دیگر خارج از صفحه میتوان در سه راستا شتاب را
اندازهگیری کرد. این ترکیب همواره خطای بسیار کمتری نسبت به حالتی دارد که افزارهها را پس از ساخت جداگانه با
هم ترکیب کنیم.
شتاب سنجهای میکرومکانیکی برای اندازهگیری در محدودههای بسیار وسیعی، که به هزاران g هم میرسد،
به کار میروند. طراح باید مصالحهای بین حساسیت و حداکثر مقدار شتاب قابل اندازهگیری انجام دهد.
کاربردهای سنسور شتاب
مهندسی
شتاب سنجها میتوانند برای اندازهگیری شتاب وسیلههای نقلیه به کار روند. با استفاده از آنها میتوان کارایی
موتور و سیستم انتقال گشتاور و سیستم ترمز را ارزیابی کرد. اعداد مفیدی مانند 0-60mphو 60-0 mph و
زمانهای ۱/۴ مایل را میتوان با استفاده از شتاب سنجها پیدا کرد.
شتاب سنجها را میتوان در اندازهگیری لرزش خودروها، ماشینها، ساختمانها، پردازش سیستم های کنترل و ایمنی
نصب دستگاهها به کار برد. شتاب سنجها را میتوان در اندازهگیری فعالیتهای زمین لرزه ای، انحراف، لرزش ماشینها،
فاصله دینامیک و سرعت با تأثیر یا بدون تأثیر گرانش استفاده کرد. شتاب سنجهایی که گرانش را اندازهگیری میکنند و
مخصوص این کار طراحی شدهاند را گراویمتر (gravimeter) مینامند.
نوت بوکهایی که به شتاب سنج مجهز شدهاند میتوانند در شبکهٔ لرزه نگار (GCN) شرکت کنند. این شبکه یک پروژه
BOINC با هدف پژوهش علمی در مورد زمین لرزه است.
زیستشناسی
شتاب سنجها با روند رو به افزایشی در علوم زیستی به کار میروند. ثبت فرکانس بالای شتابهای دوبعدی و سه بعدی
(>10 Hz) اجازه مطالعه و شناخت الگوهای رفتاری را هنگامی که حیوانات از دید خارج میشوند را میدهند. علاوه بر این
ثبت شتاب به محققان اجازه اندازهگیری آهنگ مصرف انرژی حیوانات در حیات وحش، به وسیله اندازهگیری فرکانس برخورد
اندام ها، را میدهد. یا میتوان شتاب پویای کلی بدن[۸] را اندازهگیری کرد. این روش بیشتر به وسیله دانشمندان دریایی
به خاطر عدم توانایی در مطالعه حیوانات در حیات حش به وسیله مشاهدات دیداری، مورد استفاده قرار میگیرد. اگرچه
تعداد رو به افزایشی از زیست شناسان خشکی نیز روشهای مشابهی را استفاده میکنند. شتاب سنج را میتوان
به یک تقویت کننده متصل کرد تا سیگنال مورد نظر را تقویت کند.
صنعت – مانیتور کردن سلامت دستگاه
شتاب سنجها برای مانیتور کردن سلامت دستگاههای چرخشی مانند پمپ ها، پنکه ها، غلتک ها، کمپرسورها و برجهای
خنککننده استفاده کرد. اثبات شدهاست که برنامههای مانیتور لرزش هزینهها را کاهش میدهند، زمان از کارافتادگی
دستگاهها را کاهش میدهد و ایمنی کارخانه را افزایش میدهد. این امر به وسیله تشخیص موقعیتهایی مانند غیر
هم محوری شافتها (محورها)، عدم تعادل موتورها و خرابی چرخ دنده ها یا خطا در نیرو که منجر به تعمیرات پرهزینه میشود،
صورت میگیرد. اطلاعات لرزشی شتاب سنجها به کاربر اجازه مانیتور کردن ماشینها و پیدا کردن این خطاها را پیش از اینکه
دستگاه چرخنده از کار بیفتد میدهد برنامههای مانیتور کردن لرزش در صنعتهایی مانند تولید خودرو، استفادههای ابزار کار،
تولیدات دارویی، تولید انرژی و نیروگاه ها، خمیر کاغذ و کاغذ، تولید آشامیدنی و غذا، آب و فاضلاب و پتروشیمی و تولید فولاد
به کار میروند.
مانیتور کردن ساختمان و بنا
شتاب سنجها برای اندازهگیری حرکت و لرزش ساختمانهایی که تحت بارهای دینامیک هستند به کار میروند.
بارهای دینامیک از منابع مختلفی ناشی میشوند:
فعالیتهای انسان مانند راه رفتن، دویدن، رقصیدن، یا پریدن ماشینهای در حال کار در داخل ساختمان یا در محوطه اطراف آن.
کارهای ساختمانی مانند جابجایی مقادیر زیاد خاک، تخریب ساختمان، حفاری، جابجایی بار روی پلها، برخورد خودروها،
نیروهای ضربهای مانند اجسام در حال سقوط، ضربههای شدید مانند انفجارهای داخلی و خارجی، ریزش اجزای ساختمانی،
نیروی باد و تند باد، فشار جریان تند هوا، از بین رفتن تکیه گاهها به دلیل سستی زمین، زمین لرزهها و پس لرزهها، اندازهگیری
و ثبت اینکه یک ساختمان چگونه به این ورودیها پاسخ میدهد برای ارزیابی ایمنی و پایداری ساختار حیاتی است.
این نوع از مانیتورینگ با مانیتورینگ پویا مینامند.
مفهوم “shaker” در کالیبراسیون
برای آشنایی با روشهای کالیبره کردن، به سراغ معرفی shaker خواهیم رفت. shaker در اصل وسیله ای لرزشی است
که در صتایع مختلف کاربرد های مختلف دارد. مثلا در صنعت غذایی با مفهوم مخلوط کننده و یا در صنایع آزمایشگاهی در اصل
وسیله ای است که برای عمل آوری نمونه مورد آزمایش در شرایط خاص مورد استفاده قرار میگیرد.
در ابزاردقیق و کالیبراسیون نیز از shaker به عنوان وسیله ای برای ایجاد شتاب جهت کالیبراسیون سنسور شتاب مورد استفاده
قرار میگیرد.
انواع “shaker”
شیکر اوربیتالی (orbital shaker)
ساز و کار آن حرکت دورانی در سطح افقی است. موارد مهم برای انتخاب این دستگاه سرعت چرخش، قطر دوران،
اندازه صفحه می باشد. از ویژگیهای آن می توان به عدم ایجاد ارتعاش و تولید گرمای کمتر اشاره کرد. به همین دلیل
است که می توان آن را دستگاهی ایده آل در کشت میکروبی به شمار آورد. معمولا با قرار دادن شیکر اوربیتالی
در یک انکوباتور آن را ارتقا می دهند.
شیکر صفحه ای (Platform Shaker)
به شکل یک صفحه روی میز می باشد. این صفحه به صورت افقی حرکت می کند و دارای ابعاد مختلفی می باشد.
پس از تنظیم زمان و سرعت حرکت، صفحه با حرکت رفت و برگشتی جابجا می شود. به طور کلی اندازه صفحه و
حداکثر میزان جابجایی از عوامل مهم در انتخاب این نوع شیکر می باشد.
شیکر موجی (rocking shaker)
این مدل شیکر آزمایشگاهی حرکتی مشابه موج دارند، به خصوص برای مخلوط کردن ژل ها، غشاها و بلات ها
مورد استفاده قرار می گیرند.
روتوشیکر (Roto shaker) یا شیکر آزمایشگاهی خورشیدی
یکی دیگر از انواع پرکاربرد شیکرها، روتوشیکر میباشد. از این شیکر جهت چرخاندن و مخلوط کردن مواد بر روی
یک صفحه متحرک و با زاویه های مختلف نسبت به افق استفاده می شود. از عوامل موثر در انتخاب این تجهیز،
زاویه چرخش و سرعت چرخش آن می باشد.
مراحل کالیبراسیون سنسور شتاب توسط “shaker”
مرحله اول
اطمینان حاصل کنید که در صورت کالیبراسیون شتاب سنج ، برق به طور غیر منتظره قطع نخواهد شد.
خاموش کردن خودکار برای محافظت از باتری جهت اطمینان از استفاده طولانی مدت از تجهیزات هستند.
شارژر shaker کالیبراسیون تضمین میکند که در صورت قطع ناگهانی برق، shaker خاموش نخواهد شد.
مرحله دوم
کابل خود را از شتاب سنج تحت آزمایش به shaker وصل کنید. اگر از AT-2030 استفاده می کنید باید به
یک منبع خارجی مانند multimeter متصل شوید. اگر از AT-2035 یا AT-2040 استفاده می کنید ، به سادگی
شتاب سنج تست را به اتصال BNC با عنوان “ورودی سنسور” وصل کنید.
مرحله سوم
میزان لرزش shaker را برای شروع کالیبراسیون بر روی فرکانس و دامنه صحیح تنظیم کرده و اندازه گیری های
خود را آغاز کنید. با استفاده از data sheet به عنوان راهنما ، فرکانس و دامنه صحیح را تنظیم کرده و اولین کالیبره
خود را انجام دهید. پس از اتمام آن ، دومین نقطه را برای کالیبراسیون انتخاب کرده و بنابر نوع کالیبراسیون خود تا
چند نقطه مد نظر خود ادامه دهید. اگر از AT-2035 یا AT-2040 استفاده کنید و سنسور از پیش تنظیم شده باشد ،
دکمه “Auto” بصورت خودکار تمام نقاط کالیبراسیون شتاب سنج مورد نیاز را برای شما انجام می دهد و داده ها
را ذخیره می کند.
مرحله چهارم
جدول کالیبراسیون خود را ایجاد کنید. در صورت استفاده از AT-2030 ، می بایست داده های خود را در Excel وارد
کرده و گواهی خود را به صورت دستی چاپ کنید. اگر از AT-2035 یا AT-2040 استفاده می کنید ، به سادگی
گواهی ایجاد شده خود را با فرمت PDF به USB بارگیری کنید.
بدون دیدگاه