شتاب سنج ها

شتاب سنج ها مبدل هایی هستند که برای اندازه گیری نیروهای شتاب طراحی شده اند. شتاب‌سنج‌ها شتاب مناسب - که به عنوان نیروی g نیز شناخته می‌شود - را اندازه‌گیری می‌کنند که می‌توان آن را به سادگی به عنوان "شتاب احساس شده به عنوان وزن" تعریف کرد. همانطور که اصطلاحات جایگزین آن نشان می دهد، شتاب مناسب با g اندازه گیری می شود. واحد "g" به ثابت گرانشی اشاره دارد که تقریباً 32.2 فوت بر ثانیه 2 (9.81 m/s2 ) است .

نمایش تمام سازندگان شتاب سنج

شتاب مناسب یک نوع اندازه گیری شتاب نسبی است که از یک جسم سقوط آزاد - که مقدار شتاب مناسب 0 را اختصاص داده است - به عنوان چارچوب مرجع خود استفاده می کند. به همین دلیل، گرانش و سایر نیروهای طبیعی تأثیری در شتاب مناسب ندارند. یک شتاب‌سنج در حالت سکون مقدار تقریباً 1+ گرم را برمی‌گرداند، زیرا هر نقطه از سطح زمین به طور مداوم نسبت به یک جسم در حال سقوط آزاد به سمت بالا شتاب می‌گیرد. به همین دلیل، خروجی شتاب سنج مقداری را نشان می دهد که به دلیل نیروهای گرانشی "اصلاح" شده است.

در حالی که بیشتر شتاب‌سنج‌های مدرن از نیمه‌رساناها و ابزارهای پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌کنند، تصویر زیر عملکرد یک شتاب‌سنج خطی الکترومکانیکی پایه را برای مرجع توصیف می‌کند.

شتاب سنج در تصویر زیر از جابجایی یک جرم جامد نسبت به ظرف خود برای اندازه گیری تفاوت شتاب استفاده می کند. در تصویر A، ظرف در حالت استراحت است و جرم در مرکز بین دو میله باقی می ماند. در این حالت شتاب سنج یک ولتاژ متوسط ​​ثابت خروجی می دهد. اگر ظرف در جهت میله به سمت راست شتاب بگیرد (در تصویر B نشان داده شده است)، اینرسی جرم باعث عقب ماندن آن می شود و فنر پشت آن فشرده می شود و فنر جلوتر کشیده می شود. همانطور که این اتفاق می افتد، دستگاه نسبت به شتاب اندازه گیری شده ولتاژ بالاتری را ثبت می کند. با کاهش سرعت، جرم به حالت استراحت خود باز می گردد و ولتاژ خروجی به ترتیب کاهش می یابد.

شتاب سنج خطی الکترومکانیکی پایه.

شتاب سنج ها را می توان به اشکال مختلف با استفاده از ابزارهای تکنولوژیکی مختلف ساخت. برای انواع خاصی از شتاب‌سنج‌ها، لطفاً بخش «انواع سنسور» را در زیر ببینید.

برنامه های کاربردی

شتاب سنج ها در طیف وسیعی از کاربردها در صنایع مختلف استفاده می شوند. برخی از برنامه های کاربردی در زیر لیست شده اند.

• تست محصول (شتاب خودرو)

• آزمایش سازه (ساختمان ها و پل ها)

• دستگاه‌های الکترونیکی (بر روی تبلت‌ها و تلفن‌های همراه برای فعال کردن خاموش شدن خودکار هنگام افتادن)

• نظارت بر وضعیت (ارتعاش در پمپ ها، کمپرسورها، فن ها و سایر ماشین آلات)

• ردیابی حیوانات دریایی از راه دور

• سیستم های لرزه نگاری

• سیستم های ناوبری اینرسی

• وزن سنجی

مشخصات

دامنه و فرکانس شتاب

هنگام تطبیق شتاب سنج با کاربرد مورد نظر، خریدار باید محدوده شتاب و فرکانس محصول را در نظر بگیرد. برای اندازه گیری شیب های پایه، یک شتاب سنج با اندازه 1.5 ± گرم کافی است. دستگاهی با اندازه 2± گرم برای اندازه گیری حرکت روبات ها، وسایل نقلیه یا هواپیماها مناسب است. برای کاربردهایی که شامل اندازه گیری توقف های ناگهانی یا تغییرات شدید جهت می شوند، شتاب سنج ± 5 گرم یا بیشتر توصیه می شود.

شتاب‌سنج‌ها همچنین با محدوده فرکانس ارتعاشی که می‌توانند حس کنند محدود می‌شوند و باید با فرکانس برنامه مورد نظر مطابقت داشته باشند. حساس ترین شتاب سنج ها می توانند لرزش کمتر از 0.2 هرتز را تشخیص دهند، اگرچه آنها معمولاً زیر فرکانس های 10-15 هرتز نادرست هستند.

نمودار زیر یک منحنی حساسیت فرکانس معمولی را نشان می دهد. سنبله ای که بین 10000 تا 50000 هرتز رخ می دهد احتمالاً به دلیل فرکانس طبیعی شتاب سنج است که در آن نقطه حسگر افزایش زیادی در حساسیت را تجربه می کند که منجر به حساسیت بیش از حد و اشباع احتمالی می شود. بسیاری از دستگاه ها دارای فیلترهایی هستند که این حساسیت بیش از حد را اصلاح می کنند.

منحنی حساسیت فرکانس شتاب سنج از National Instruments.

تبرها

هنگام انتخاب یک شتاب سنج، تعیین تعداد محورهایی که دستگاه برای آنها طراحی شده است مهم است.

• شتاب سنج های تک محوره از رایج ترین انواع آن هستند. آنها اغلب برای اندازه گیری سطوح ارتعاش ساده استفاده می شوند. نمونه ای از یک دستگاه تک محور را می توان در تصویر زیر "ساخت و بهره برداری" بالا مشاهده کرد.

• شتاب سنج های دو محوره برای اندازه گیری شتاب یا ارتعاش در امتداد هر دو محور x و y (به سادگی "به جلو، عقب و پهلو به پهلو") طراحی شده اند.

• دستگاه های سه محوره یک محور z عمودی را به شتاب سنج دو محوره اضافه می کنند. اینها قادر به تعیین موقعیت و اندازه گیری سه بعدی پیچیده هستند. به جای یک شتاب سنج سه محوره مجزا، یک جفت شتاب سنج دو محوره که در زوایای قائم قرار گرفته اند، همین اثر را انجام می دهند.

نمودارهایی که محورهای شتاب‌سنج‌های 2 محوره (چپ) و 3 محوره را نشان می‌دهند. این سنسور 2 محوره خاص قابلیت اندازه گیری شیب را نیز دارد.

نوع سنسور

شتاب سنج ها ممکن است از یکی از چندین نوع فناوری برای حس کردن و خروجی تغییرات در سرعت و شتاب استفاده کنند.

نموداری که هزینه و دقت نسبی انواع شتاب سنج رایج را نشان می دهد.

پیزوالکتریک

شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک به یک ماده پیزوالکتریک - معمولاً یک کریستال کوارتز یا مواد سرامیکی چند کریستالی - برای حس کردن تغییرات در شتاب متکی هستند. اثر پیزوالکتریک به تجمع بار الکتریکی در یک ماده به دلیل تنش مکانیکی اشاره دارد. شتاب سنج های پیزوالکتریک از نوعی ماده پیزوالکتریک در مجاورت یک جرم جامد استفاده می کنند. هنگامی که نیروهای شتاب به دستگاه اعمال می شود، مواد به فشار یا کرنش ایجاد شده توسط جرم پاسخ می دهند. با توجه به قانون دوم حرکت نیوتن ( F=ma )، تغییر بار الکتریکی درون ماده برابر با نیروی شتابی است که در برابر آن وارد می‌شود و شتاب‌سنج را به یک وسیله اندازه‌گیری موثر تبدیل می‌کند. سرنخ های متصل به مواد پیزوالکتریک سپس اختلاف شارژ را منتقل می کنند و آن را به یک تنظیم کننده سیگنال یا تقویت کننده رله می کنند تا سیگنال برای نمایش یا ضبط مناسب باشد.

نمودار اصلی یک شتاب سنج پیزوالکتریک.

در این چارچوب اساسی، شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک ممکن است اشکال مختلفی داشته باشند که هر کدام برای کاربردها و محیط‌های منحصربه‌فرد مناسب هستند. چند نمونه در جدول زیر آمده است.

پیزورمقاومتی

شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک به شیوه‌ای مشابه انواع پیزوالکتریک عمل می‌کنند، با این تفاوت که خروجی آن‌ها به‌جای بار الکتریکی به عنوان تغییر مقاومت اندازه‌گیری می‌شود. این دستگاه‌ها معمولاً به‌عنوان نیمه‌رسانا تولید می‌شوند و مدارهای مقاومتی جداگانه برای هر محور اندازه‌گیری می‌شوند. هر محور شامل چندین پیزورزیستور است که با اعمال نیرو مقدار مقاومتی خود را کاهش می دهد. شتاب‌سنج‌های پیزورزیستیو در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به اندازه‌گیری شتاب g بالا با یک بسته سنسور کوچک دارند.

تصویر زیر نمای طراحی یک شتاب‌سنج پیزومقاومتی سه محوره معمولی را نشان می‌دهد که (در سمت راست) نشان می‌دهد که هر مدار (یا محور) توسط چهار پیزورزیستور با برچسب R1x، R2x، R1y، R1z و غیره اداره می‌شود.

خازنی

شتاب‌سنج‌های خازنی، که گاهی به عنوان شتاب‌سنج جرمی خازنی شناخته می‌شوند، دستگاه‌های سنجش نیمه‌رسانا هستند. آنها از یک توده سیلیکونی متصل به چهار بند تشکیل شده اند که در مجموع به عنوان یک سیستم فنری عمل می کنند. هنگامی که نیرویی به یک سر جرم وارد می شود، فنر حرکت می کند و کشیده می شود. بنابراین جابجایی جرم نشان دهنده شتاب اندازه گیری شده است. خود جابجایی با استفاده از سه صفحه خازن اندازه گیری می شود: دو صفحه خازن ثابت و یک صفحه جداگانه - واقع بین دو صفحه ثابت - که به جرم متصل است. خازن داخلی با جرم حرکت می کند و تغییری در ظرفیت خازن نسبت به صفحات ثابت ثبت می کند. این تغییر به یک ولتاژ خروجی مناسب برای نمایش یا ثبت داده های شتاب شرطی می شود. از آنجایی که ظرفیت حسگر نسبت به هر دو صفحه ثابت تغییر می کند، این سنسورها می توانند جهت شتاب را نیز خروجی دهند.

عملکرد شتاب سنج خازنی

انواع دیگر

جدا از سه نوع ذکر شده در بالا، شتاب سنج ها ممکن است از هر یک از فناوری های ذکر شده در زیر برای اندازه گیری شتاب استفاده کنند.

• شتاب‌سنج‌های فیبر نوری از حسگر فیبر نوری برای اندازه‌گیری تغییر طول موج در نتیجه نیروهای اعمال‌شده استفاده می‌کنند.

• شتاب‌سنج‌های اثر هال با حس کردن تغییرات میدان مغناطیسی، حرکت را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.

• دستگاه های انتقال حرارت به حرکت و مکان یک جرم گرم شده با سنجش دما متکی هستند.

• دستگاه های مقاومت مغناطیسی با استفاده از یک میدان مغناطیسی تغییرات در مقاومت ماده را حس می کنند.

• شتاب سنج های کرنش سنج تغییر در اینرسی جرم را به اندازه گیری کرنش تبدیل می کنند.

استانداردها

BS IEC 60747-14 -- شتاب سنج های نیمه هادی

IEEE 1293 -- راهنمای مشخصات شتاب سنج های غیر ژیروسکوپی تک محوره

MIL-A-27261 -- شتاب سنج هواپیما

منبع

globalspec