شتاب‌سنج | هوافضای جوان

شتاب‌سنج

شتاب‌سنج (Accelerometer)

شتاب‌سنج وسیله‌ای برای اندازه گیری شتاب فیزیکی وارد شده به یک جسم ناشی از نیروی اینرسی و یا تحریک مکانیکی می‌باشد. شتاب تغییرات سرعت در واحد زمان تعریف می‌شود. شتاب یک بردار است که دارای اندازه و جهت است. بنابراین برای بیان شتاب نیاز به دو مولفه می‌باشد. شتاب سنج از قطعاتی مکانیکی ساخته می‌شود که توانایی حس کردن شتاب را دارند، هم‌چنین شامل مکانیزمی است که حرکت مکانیکی را به خروجی الکتریکی تبدیل می‌کند.

قطعات حس‌کننده اساسا یک جرم است که به وسیله‌ی یک فنر به قاب وصل شده است. هم‌چنین یک دمپر نیز به صورت موازی یا سری با فنر استفاده می‌شود که استفاده از دمپر به دلیل این است که جرم و فنر با فرکانس طبیعی‌اش نوسان نکند(نوسان با فرکانس طبیعی باعث پدیده‌ی تشدید می‌شود که باعث واگرایی دامنه‌ی حرکتی و نهایتا منجر به خرابی سازه می‌شود). شکل زیر را در نظر بگیرید:

شماتیک یک شتاب‌سنج

وقتی که به این سیستم نیرویی وارد شود و باعث ایجاد شتاب شود جرم درون قاب نسبت به قاب حرکت می‌کند، این انحراف توسط ابزار مناسب اندازه‌گیری می‌شود و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.(دقت شود که با توجه با طرز قرار گرفتن شتاب‌سنج تنها قادر به اندازه‌گیری شتاب در راستای z خواهد بود.)

نکته‌ی مهم در مورد شتاب‌سنج‌ها این است که قادر به اندازه‌گیری شتاب جاذبه نیستند، علت این امر این است که نیروی جاذبه چون نیروی حجمی می‌باشد به طور همزمان به همه‌ی اجزا وارد می‌شود و بنابراین به قاب، جرم، فنر و دیگر اجزا شتابی یکسان وارد می‌شود و این اجزا نسبت به هم تغییراتی ندارند بنابراین شتابی اندازه‌گیری نمی‌شود، به طور مثال در سقوط آزاد، جسم در حال تجربه‌ی شتابg=9.81 می‌باشد در حالی که شتاب سنج در راستای z صفر را نشان می‌دهد.

روابط محاسبه‌ی شتاب

تصویر زیر را در نظر بگیرید:

شماتیک شتاب‌سنج

با نوشتن قانون دوم نیوتون برای جرم بالا:

قانون دوم نیوتون برای شتاب‌سنج

با داشتن c،k و m که معلوم هستند از معادله دیفرانسیل بالاشتاب جسم به دست می‌آید.

انواع شتاب‌سنج

شتاب‌سنج‌ها با استفاده از اصول سنجش متفاوتی طراحی شده‌اند:

پتانسیومتری (Potentiometric)

یکی از ساده‌ترین نوع شتاب‌سنج‌ها می‌باشد، این سیستم به این صورت عمل می‌کند که جرم بهیک پتانسیومتر وصل است و با شتاب گرفتن سیستم و در نتیجه حرکت جرم، مقاومت پتانسیومتر تغییر می‌کند و تغییر مقاومت باعث ایجاد سیگنال الکتریکی می‌شود و به کمک آن شتاب اندازه گیری می‌شود.

شماتیک شتاب‌سنج پتانسیومتری

شتاب‌سنج خازنی (Capacitive accelerometers)

این شتاب‌سنج‌ها از خازن برای اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌کنند. ظرفیت خازن با تغییر فاصله‌ی صفحاتش تغییر می‌کند، به طور مثال یک صفحه را ثابت و چسبیده به قاب در نظر می‌گیریم و درحالی که صفحه‌ی دیگر با حرکت سیستم نسبت به قاب جابجا می‌شود و باعث تغییر ظرفیت خازن می‌شود، این تغییر در ظرفیت باعث ایجاد سیگنالی الکتریکی می‌شود همانند مورد قبل. تصویر زیر شماتیکی از این نوع نشان می‌دهد.

شماتیک صفحات شتاب‌سنج خازنی

شتاب‌سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric accelerometers)

این شتاب‌سنج‌ها از اثر پیزوالکتریک استفاده می‌کنند، این ویژگی که در برخی مواد وجود دارد ویژگی جالبی است که باعث می‌شود با اعمال فشار به این مواد این مواد تحریک شده و شارژ الکتریکی تولید می‌کنند. در شتاب‌سنج‌های گفته شده از مواد پیزوالکتریک استفاده می‌شود، وقتی سیستم شتاب می‌گیرد، یک طرف این مواد که به قاب  فیکس شده با نزدیک شدن طرف دیگر دچار فشار می‌شود و این فشار باعث ایجاد شارژ الکتریکی می‌شود این شارژ به ولتاژ تبدیل می‌شود و به کمک آن شتاب اندازه گیری می‌شود. در تصویر زیر شماتیکی از این نوع شتاب‌سنج می‌بینید.

شماتیک شتاب‌سنج پیزوالکتریک

شتاب‌سنح پیزومقاومتی (Piezo-resistive accelerometers)

این شتاب‌سنج‌ها بر اساس مواد پیزومقاومتی کار می‌کنند، این نوع مواد، نیمه‌رساناهایی هستند که با اعمال فشار به آنها، مقاومت الکتریکی‌شان تغییر می‌کند. تغییر در مقاومت الکتریکی باعث اندازه گیری شتاب وارده می‌شود. در زیر تصویری از این نوع شتاب‌سنج می‌بینید.

شماتیک شتاب‌سنج پیزومقاومتی

شتاب‌سنج‌های اندوکتانس متغیر (Variable inductance accelerometers)

در این نوع از شتاب‌سنج‌ها از مواد فرومغناطیس همانند آهن به عنوان جرم استفاده می‌شود، با اعمال شتاب به سیستم این جرم وارد سیم‌پیچی می‌شود و باعث ایجاد امپدانس(مقاومت ظاهری) در سیم‌پیچ می‌شود، با استفاده از این مقاومت می‌توان شتاب را اندازه‌گیری کرد. در زیر تصویری شماتیک از این نوع شتاب‌سنج می‌بینید.

شتاب‌سنج‌های اندوکتانس متغیر

شتاب‌سنج اثر هال (Hall Effect accelerometers)

در این نوع شتاب‌سنج‌ها همانند تصویر زیر آهنربایی در قسمت جلویی جرم نصب می‌شود، با شتاب گرفتن سیستم و حرکت جرم فاصله‌ی بین این آهنربا با المانی به نام المان هال که در قسمت انتهایی قاب نصب شده کم و زیاد می‌شود، خروجی این المان با تغییر فاصله آهنربا ‌می‌کند، یا در واقع ولتاژ هال تغییر می‌کند با اندازه گیری این ولتاژ می‌توان شتاب را محاسبه کرد. در زیر تصویری شماتیک از این نوع شتاب‌سنج مشاهده می‌کنید.

شماتیک شتاب‌سنج اثر هال

شتاب‌سنج‌های مغناطیسی (Magnetoresistive accelerometers)

نحوه‌ی کار این نوع شتاب‌سنج‌ها دقیقا مشابه شتاب‌سنج‌های اثر هال می‌باشد تنها تفاوت در این است که به جای استفاده از المان هال از مواد مغناطیسی استفاده می‌کنند.

شتاب‌سنج‌های مبتنی بر توری براگ فیبری (FBG Based accelerometers)

با استفاده از FBG، هنگامی که طیف وسیعی از نور از طریق فیبر نوری عبور می‌کند، بخشی از سیگنال از طریق فیبر انتقال می‌یابد و بخش دیگری نیز منعکس می‌شود. با شتاب‌گیری سیستم، FBG تنشی را تحمل می‌کند که این تنش باعث جابجایی در طول موج‌های انعکاس یافته می‌شود و این جابجایی طول‌ موج‌های منعکس شده باعث اندازه گیری شتاب می‌شود. در زیر تصویری از شماتیک این سیستم می‌بینید.

شماتیک شتاب‌سنج‌ FBG

شتاب‌سنج‌های گاز گرم شده (Heated Gas accelerometers)

جرمی که در این نوع از شتاب‌سنج‌ها استفاده می‌شود از نوع گاز می‌باشد. مطابق شکل زیر در حالت بدون شتاب دمای دو سر این گاز یکسان است، اما با شتاب گرفتن ای سیستم، گاز به یک طرف متمایل می‌شود و دمای آن‌طرف بالاتر می‌رود و بین دو طرف مخزن گاز اختلاف دمایی به وجود می‌آید که با اندازه گیری این اختلاف دما می‌توان شتاب را اندازه گیری کرد.

شماتیک شتاب‌سنج‌های گاز گرم شده

شتاب‌سنج‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS-Based Accelerometers)

MEMS به معنی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی می‌باشد. که قابلیت ساخت در ابعاد میکرو را به ما می‌دهد.

در اولین شتاب سنج MEMS از پیزومقاومت‌ها استفاده شد. اکثر شتاب‌سنج‌های MEMS از مفهوم اندازه‌ گیری ظرفیت استفاده می‌کنند.

در زیر تصویری شماتیک از شتاب‌سنج‌ MEMS می‌بینید.

شماتیک شتاب‌سنج‌ MEMS

در این شتاب‌سنج‌ها همان‌طور که در تصویر هم مشخص است با اعمال شتاب جرم متحرک نسبت به صفحات کناری( کره‌ها و صفحه‌های متصل به آنها) که ثابت هستند حرکت می‌کند و این حرکت همانند شتاب‌سنج خازنی باعث تغییر ظرفیت خازن می‌شود و با اندازه‌گیری این تغییرات می‌توان شتاب را اندازه گیری کرد.

منابع

MEMS Accelerometer

https://www.engineersgarage.com/articles/accelerometer/

 https://www.nanomotion.com/piezo-ceramic-motor-technology/piezoelectric-effect/


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.