شتاب‌سنج‌ها شتاب یا تغییرات سرعت یک جسم را اندازه گیری می کنند. معمولاً برای تشخیص حرکت، ارتعاشات و تغییرات جهت استفاده می‌شوند. از انواع شتاب‌سنج‌ها می‌توان به شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک، خازنی و MEMS اشاره کرد. از این سنسورها در مواردی مانند کنترل پایداری وسایل نقلیه، حسگر حرکت در گوشی‌های هوشمند، روباتیک و.. استفاده میشود.
شتاب‌سنج وسیله‌ای است که شتاب را اندازه گیری میکند، شتاب به طور خلاصه به میزان تغییر سرعت یک جسم گفته میشود. یک شتاب‌سنج می‌تواند شتاب را در هر جهت یا محوری شناسایی و اندازه گیری کند.
شتاب‌سنج‌ها بر اساس اصل قانون دوم حرکت نیوتن(F=m*a) کار می‌کنند. آنها حاوی یک جرم (به نام جرم آزمایشی) هستند که به یک فنر یا یک سازه کنسولی متصل است. اصل کار یک شتاب سنج شامل استفاده از این جرمی (جرم آزمایشی) است که درون سنسور معلق است. جرم اثباتی وقتی تحت شتاب قرار میگیرد، نیرویی متناسب با شتاب را تجربه میکند که باعث حرکت آن میشود. سپس این جابجایی اندازه گیری شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود که می‌تواند توسط مدارها یا سیستم‌های الکترونیکی تفسیر شود.
شتاب‌سنج‌ها بسته به پیکربندی شان می‌توانند شتاب را در یک، دو یا سه محور اندازه گیری کنند. شتاب‌سنج‌های تک محوری شتاب را در امتداد یک جهت اندازه گیری می‌کنند و شتاب‌سنج‌های سه محوره اندازه گیری ها را در سه جهت عمود بر هم (محورهای X، Y و Z) انجام می‌دهند.
شتاب معمولاً در واحدهای نیروی g اندازه‌گیری میشود، که در آن 1g برابر است با شتاب گرانشی در سطح زمین (تقریباً 9.8 متر بر ثانیه). محدوده اندازه گیری بسته به هر شتاب سنج، متفاوت است اما محدود‌ه‌های رایج معمولا بین 1g± تا 16g ± است.
شتاب‌سنج‌ها کاربردهای گسترده‌ای دارند. به طور مثال در گوشی‌های هوشمند و کنترل‌های گیمینگ، از شتاب‌سنج‌ها برای فعال کردن تغییرات جهت صفحه نمایش و تعاملات مبتنی بر حرکت استفاده میشود.
شتاب‌سنج‌ها در سیستم‌های خودرو، به کنترل پایداری و باز شدن کیسه هوا کمک می‌کنند. در هوافضا، شتاب‌سنج‌ها برای ناوبری، کنترل پرواز و نظارت بر ارتعاش ضروری هستند.
در بسیاری از کاربردها، چندین حسگر مانند شتاب‌سنج، ژیروسکوپ و مغناطیس‌سنج با استفاده از تکنیک‌های ادغام سنسورها، ترکیب می‌شوند تا دقت را بهبود بخشند و قابلیت‌های جامع‌تری برای سنجش حرکت ارائه دهند.
انواع شتاب‌سنج بر اساس روش‌های سنجش آنها
شتاب‌سنج‌ها معمولاً از یکی از چندین روش سنجش برای تشخیص حرکت جرم آزمایشی استفاده می‌کنند. رایج ترین روش‌های سنجش شتاب‌سنج‌ها شامل پیزوالکتریک، خازنی و MEMS (سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی) می‌باشد. در اینجا قصد داریم با هر یک از آنها کمی بیشتر آشنا شویم.
هر روش مزایا و معایب خود را دارد، اما هدف همه آنها اندازه گیری جابجایی یا تغییرات ناشی از شتاب است.
شتاب سنج پیزوالکتریک
شتاب سنج پیزوالکتریک نوعی شتاب سنج است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه گیری شتاب استفاده میکند. اثر پیزوالکتریک به توانایی برخی مواد، مانند کریستال‌ها یا سرامیک‌های خاص، برای تولید بار الکتریکی زمانی که تحت فشار مکانیکی یا تغییر شکل قرار میگیرند، اشاره دارد.
در یک شتاب سنج پیزوالکتریک، عنصر حسگر از یک ماده پیزوالکتریک، معمولاً یک ویفر کریستالی یا سرامیکی، تشکیل شده‌است که به جرم آزمایشی متصل است. هنگامی که شتاب‌سنج تحت شتاب قرار میگیرد، جرم نمونه نسبت به بدنه حسگر حرکت میکند و باعث میشود که ماده پیزوالکتریک دچار تغییر شکل یا تنش مکانیکی شود.
در نتیجه این تنش، ماده پیزوالکتریک یک بار الکتریکی تولید میکند. سپس این بار توسط الکترودهایی که روی سطح ماده قرار دارند جمع آوری میشود. مقدار بار به طور مستقیم با شتاب اعمال شده متناسب است.
برای اندازه گیری بار تولید شده، شتاب سنج به یک تقویت کننده یا مدار شرطی سازی سیگنال(سیگنال کاندیشنینگ) متصل میشود. تقویت کننده، بار کوچک تولید شده توسط مواد پیزوالکتریک را به یک سیگنال ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل میکند.
سیگنال خروجی از شتاب سنج پیزوالکتریک را می‌توان برای تعیین پارامترهای مختلف مانند دامنه ارتعاش، فرکانس و جهت شتاب بیشتر پردازش و تجزیه و تحلیل کرد.
مزایا و کاربردهای شتاب سنج پیزوالکتریک:
شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک دارای مزایایی از جمله حساسیت بالا، پاسخ فرکانسی وسیع و خاصیت خطینگی خوب، هستند. آنها معمولاً در مواردی استفاده می‌شوند که به اندازه‌گیری دقیق ارتعاش نیاز است، مانند نظارت بر سلامت سازه، آزمایش خودرو، عیب‌یابی ماشین‌آلات و بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی دیگر.
شتاب سنج خازنی
شتاب‌سنج‌های خازنی نوعی شتاب سنج هستند که برای اندازه گیری شتاب از تغییرات ظرفیت خازنی استفاده می‌کنند. این حرکت شکاف بین جرم اثبات و صفحات خازنی ثابت را تغییر می‌دهد و در نتیجه ظرفیت خازنی تغییر میکند و سپس به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود.
در یک شتاب سنج خازنی، معمولاً دو مجموعه از صفحات موازی وجود دارد: یکی ثابت و دیگری متحرک. صفحات ثابت به قاب یا محفظه شتاب سنج متصل می‌شوند و صفحات متحرک به یک جرم ثابت متصل می‌شوند که در پاسخ به شتاب حرکت میکند (جرم آزمایشی). هنگامی که شتاب سنج شتاب خطی یا زاویه‌ای را تجربه میکند، جرم آزمایشی نسبت به صفحات ثابت حرکت میکند و باعث تغییر در فاصله بین صفحات میشود.
با تغییر فاصله بین صفحات، ظرفیت سیستم نیز تغییر میکند. این تغییر در ظرفیت با شتاب اعمال شده متناسب است. شتاب سنج خازنی این تغییر در ظرفیت را اندازه گیری میکند و آن را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل میکند.
برای اندازه گیری دقیق تغییر ظرفیت، شتاب‌سنج‌های خازنی از تکنیک‌های مختلفی استفاده می‌کنند. یکی از روش‌های رایج استفاده از مدار پل است که در آن شتاب سنج بخشی از یک مدار بالانس شده با چندین خازن است. ولتاژ خروجی مدار پل متناسب با تغییر ظرفیت است.
مزایا و کاربردهای شتاب سنج خازنی:
شتاب‌سنج‌های خازنی دارای مزایایی مثل دقت بالا، خطی بودن عالی و نویز کم هستند. آنها به طور گسترده در کاربردهایی که اندازه گیری دقیق شتاب مورد نیاز است، مانند هوافضا، خودرو، و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شوند. شتاب‌سنج‌های خازنی همچنین برای اندازه گیری شتاب استاتیک و دینامیکی مناسب هستند و آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها همه کاره میکند.
شتاب سنج MEMS (سیستم های میکرو الکترومکانیکی)
شتاب‌سنج‌های MEMS که به نام شتاب‌سنج‌های سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی نیز شناخته می‌شوند، نوعی شتاب‌سنج هستند که از تکنیک‌های میکرو ساخت، برای ایجاد دستگاه‌های مینیاتوری با قابلیت اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌کنند. شتاب‌سنج‌های MEMS به دلیل اندازه کوچک، هزینه کم و عملکرد قابل اعتماد، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند.
این شتاب‌سنج‌ها از ساختارهای ریز مبتنی بر سیلیکون با جرم‌های متحرک که توسط میله‌ها یا فنرهای انعطاف‌پذیر معلق هستند، تشکیل شده‌اند. هنگامی که جرم تحت شتاب قرار میگیرد، از موقعیت تعادل خود منحرف میشود و باعث تغییر در خازن، مقاومت یا اثرات پیزوالکتریک میشود. سپس این تغییرات اندازه گیری شده و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند که شتاب اعمال شده را نشان می‌دهند.
شتاب‌سنج‌های MEMS می‌توانند هم شتاب استاتیک (گرانش) و هم شتاب دینامیکی را در چندین محور اندازه‌گیری کنند. آنها در پیکربندی های تک محوره، دو محوره و سه محوره موجود هستند که هر کدام از آنها امکان اندازه گیری را به ترتیب در یک، دو یا سه جهت فراهم می‌کنند. برخی از شتاب‌سنج‌های MEMS دارای ویژگی‌های بیشتری مانند جبران دما، قابلیت‌های خودآزمایی داخلی و رابط‌های دیجیتال نیز هستند.
مزایا و کاربردهای شتاب سنج MEMS:
اندازه کوچک و توان مصرفی کم شتاب‌سنج‌های MEMS آنها را برای کاربردهای مختلف از جمله دستگاه‌های تلفن همراه، سیستم‌های خودرو، کنترلرهای بازی، نظارت بر تجهیزات صنعتی و دستگاه‌های پوشیدنی مناسب میکند. آنها نقش مهمی در کاربردهای حسگر حرکتی، مانند تشخیص تغییرات جهت، تحلیل ارتعاش، ناوبری و تشخیص حالت ایفا می‌کنند.
به طور کلی، شتاب‌سنج‌های MEMS اندازه‌گیری قابل اعتماد و بسیار دقیق شتاب را در یک فاکتور فشرده ارائه می‌دهند که آنها را به اجزای ضروری در پیشرفت‌های تکنولوژیکی متعدد تبدیل میکند.
انتخاب یک شتاب‌سنج مناسب
عوامل و فاکتورهای مختلفی وجود دارند که هنگام انتخاب یک شتاب سنج، باید در نظر گرفته شوند، از قبیل:
حساسیت
حساسیت یک شتاب سنج تعیین میکند که شتاب‌سنج چقدر می‌تواند تغییرات کوچک در شتاب را تشخیص دهد. حساسیت بالاتر امکان اندازه گیری شتاب‌های کوچکتر را فراهم میکند، اما ممکن است نویز نیز ایجاد کند. هنگام انتخاب شتاب‌سنج سطح حساسیت مورد نیاز برای برنامه خاص خود را در نظر بگیرید.
محدوده دینامیکی
محدوده دینامیکی به محدوده شتاب‌هایی اشاره دارد که یک شتاب سنج می‌تواند به دقت اندازه گیری کند. انتخاب یک شتاب سنج با محدوده دینامیکی که محدوده مورد انتظار شتاب را در برنامه مورد نظر شما پوشش می‌دهد، مهم است. محدوده دینامیکی گسترده اندازه گیری دقیق را حتی در سناریوهای با شتاب بالا تضمین میکند.
پاسخ فرکانسی
پاسخ فرکانسی یک شتاب سنج توانایی آن را برای اندازه گیری شتاب در طیف وسیعی از فرکانس‌ها تعیین میکند. محدوده فرکانس ارتعاشات یا حرکاتی را که باید اندازه گیری کنید در نظر بگیرید و اطمینان حاصل کنید که شتاب سنج پاسخ فرکانسی مطابق با نیاز شما دارد.
نویز سنسور
سطح نویز یک شتاب‌سنج می‌تواند بر دقت اندازه گیری‌ها تأثیر بگذارد. نویز کمتر منجر به داده‌های واضح‌تر میشود. اگر در پروژه شما دقت بسیار مهم است، به دنبال شتاب‌سنج‌هایی با سطح نویز کم باشید.
توان مصرفی
توان مصرفی پروژه‌های مختلف با یکدیگر متفاوت است. اگر در حال طراحی دستگاهی با منبع تغذیه باتری یا کم مصرف هستید، مصرف انرژی شتاب سنج را در نظر بگیرید و شتاب سنجی را انتخاب کنید که با محدودیت‌های شما همسو باشد.
نوع خروجی
شتاب سنج‌ها می‌توانند خروجی آنالوگ یا دیجیتال داشته باشند. خروجی‌های آنالوگ سیگنال‌های ولتاژ یا جریان پیوسته‌‌ایی را متناسب با شتاب ارائه می‌دهند، در حالی که خروجی‌های دیجیتال مقادیر مجزای دیجیتال ارائه می‌کنند. شتاب سنج با خروجی‌ای را انتخاب کنید که به بهترین وجه با نیازهای پروژه شما مطابقت دارد.
موارد بالا بخشی از عواملی هستند که در انتخاب شتاب سنج به شما کمک می‌کنند و باید آنها را در نظر بگیرید. با در نظر گرفتن این عوامل، می‌توانید شتاب سنجی را انتخاب کنید که نیازهای خاص برنامه شما را برآورده کند.
توجه داشته باشید که مانند هر سنسور دیگری، شتاب‌سنج‌ها نیز برای ارائه اندازه گیری‌های دقیق نیاز به کالیبراسیون دارند. کالیبراسیون شامل جبران هرگونه سوگیری یا خطا است که در طول فرآیند تولید یا به دلیل عوامل محیطی ایجاد میشود.