موضوع مقاله: شتاب‌سنج | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شتاب‌سنج | مقدمه: شتاب‌سنج حسگری می‌باشد که شتاب مکانیکی را به سیگنال الکتریکی متناسب با آن تبدیل می‌کند. | ## بخش 1: شتاب‌سنج | 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 کمیتِ بُرداری 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 فیزیکی شتاب‌سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه‌گیری می‌کند. 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. [۱] 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. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که در یک سفینهٔ 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. 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. 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. این موضوع شامل استفاده از شتاب‌سنج درون یک سفینهٔ اکتشافی در اعماق فضا و به دور از هر جرم، سفینه‌ای که به دور زمین می‌گردد، هواپیمایی که در قوس سهموی صفر-g یا هر مسیر سقوط آزاد دیگری در خلأ را طی می‌کند، می‌شود. اگرچه این موضوع در مورد یک سقوط غیر آزاد که مقاومت هوا موجب نیروی پس کشی و کاهش شتاب می‌شود صدق نمی‌کند، ولی پس از اینکه به سرعت حد رسیدیم، شتاب‌سنج شتاب به سمت بالا را احساس می‌کند. مثالی عملی از این مسئله هنگامی است که یک چترباز در حال سقوط به سرعت حد می‌رسد و دیگر احساس نمی‌کند که در حال سقوط آزاد است و احساسی مشابه خوابیدن روی تختی از هوا دارد. 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. از عمومی‌ترین سنسورهایی که برای اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌شوند، براساس تکنولوژی بکار رفته در آنها به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند[۳۸]: - سنسور‌های شتاب‌سنج پیزوالکتریک - سنسور‌های شتاب‌سنج استرین-گیج (Strain Gauge) - سنسور‌های شتاب‌سنج جریان گردابی (Eddy Current) ساختار به‌طور مفهومی، یک شتاب‌سنج مانند یک جسم میراکننده روی یک فنر عمل می‌کند. هنگامی که شتاب‌سنج با شتابی حرکت می‌کند، جسم به اندازه‌ای جابجا می‌شود که نیروی وارد شده از فنر به جسم، جسم را با شتابی برابر شتاب بدنهٔ شتاب‌سنج حرکت دهد. معمولاً خازن بین مجموعه‌ای از تیرهای ثابت و مجموعه‌ای از تیرهایی که به جرم‌های لرزه‌ای متصل اند اندازه‌گیری می‌شوند. نوع غیرمعمول دیگری از شتاب‌سنج‌های بر مبنای تکنولوژی MEMS شامل یک گرم‌کننده کوچک در پایین یک برآمدگی توخالی خیلی کوچک است. 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. | ## بخش 2: شتاب‌سنج | 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. کاربردها 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 سیستم‌های 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. نوت بوک‌هایی که به شتاب سنج مجهز شده‌اند می‌توانند در شبکهٔ لرزه‌نگار (GCN) شرکت کنند. این شبکه یک پروژه BOINC با هدف پژوهش علمی در مورد زمین لرزه است.[۴] زیست‌شناسی شتاب سنج‌ها با روند رو به افزایشی در علوم زیستی به کار می‌روند. ثبت فرکانس بالای شتاب‌های دوبعدی[۵] و سه بعدی[6] (>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[۷]، را می‌دهد. 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. صنعت – مانیتور کردن سلامت دستگاه شتاب سنج‌ها برای مانیتور کردن سلامت دستگاه‌های چرخشی مانند پمپ ها[۹]، پنکه ها[۱۰]، غلتک ها[۱۱]، کمپرسورها[۱۲] و برج‌های خنک‌کننده[۱۳] 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[۱۴] یا خطا در نیرو[۱۵] 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[۱۶]، استفاده‌های ابزار کار[۱۷]، تولیدات دارویی[۱۸]، تولید انرژی[۱۹] و نیروگاه ها[۲۰]، خمیر کاغذ و کاغذ، [۲۱] 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[۲۲] هستند به کار می‌روند. 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. در بلژیک، برای ترغیب مردم به پیاده‌روی به میزان چندین هزار قدم در روز، گام شمارهای مبتنی بر شتاب سنج توسط دولت ترویج می‌شوند.[۲۳ ۲۴] آموزش دهنده دیجیتال هرمان (Herman Digital Trainer) از شتاب سنج‌ها برای اندازه‌گیری نیروی ضربه در تمرینات بدنی استفاده می‌کند. ناوبری مقاله اصلی: سیستم‌های ناوبری پایا یک سیستم ناوبری ماندی (INS) یک ابزار کمکی برای ناوبری است که با استفاده از یک کامپیوتر و سنسورهای حرکت (شتاب سنج‌ها) موقعیت، جهت‌گیری و سرعت (جهت و تندی حرکت) یک جسم در حال حرکت را به‌طور پیوسته و به روش dead reckoning محاسبه می‌کند. یک شتاب سنج به تنهایی برای آشکار کردن تغییرات ارتفاع در فواصلی که تغییر در گرانش عمودی قابل ملاحظه است مثلاً در هواپیما و موشک، نامناسب است. در حضور گرادیان گرانشی، تنظیم دستگاه و پروسه کم کردن اطلاعات نا پایدار است.[۲۵ ۲۶] حمل و نقل شتاب سنج‌ها برای یافتن نقطه اوج در پرتاب موشک حرفه‌ای و آماتور استفاده می‌شوند. یکی از معمول‌ترین کاربردهای شتاب سنج‌های MEMS در گسترش سیستم کیسه هوا در وسایل نقلیه مدرن است. | ## بخش 3: شتاب‌سنج | در این حالت شتاب سنج‌ها برای شناسایی شتاب منفی سریع وسیله نقلیه استفاده می‌شوند تا مشخص کنند که چه زمانی یک برخورد صورت گرفته و شدت برخورد چقدر بوده‌است. یکی دیگر از کاربردهای این وسیله در خودروها، سیستم‌های کنترل پایداری الکترونیکی است که از یک شتاب سنج جانبی برای اندازه‌گیری نیروهای کناری استفاده می‌کند. استفادهٔ گسترده از شتاب سنج‌ها در صنعت خودرو قیمت آن‌ها را به‌طور قابل توجهی کاهش داده‌است.[۳۰] یکی دیگر از کاربردها در خودرو، چک کردن نویز، لرزش و سختی است (NVH)، شرایطی که باعث ناراحتی برای رانندگان و مسافران می‌شود و همچنین ممکن است نشان دهندهٔ نقص‌های مکانیکی باشد. قطارهای پر شتاب از شتاب سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها برای محاسبه شتاب مورد نیاز استفاده می‌کنند. استفاده در الکترونیک شتاب سنج‌ها به‌طور روزافزون در وسایل الکترونیکی شخصی استفاده می‌شوند. ورودی حرکت برخی از تلفن‌های هوشمند، پخش‌کننده‌های صدای دیجیتال و همیار شخصی‌های دیجیتال شامل شتاب سنج‌ها برای کنترل سطح تماس با کاربر می‌باشند. همچنین کاربران امکان خریدن وسیلهٔ الصاقی حساس به حرکت اضافی، Nunchuk، را دارند که در نتیجه آن ورودی حرکت توسط هر دو دست کاربر به‌طور مستقل قابل ثبت است. استفاده‌های دیگر شتاب سنج‌ها در تلفن‌های نوکیا شامل کاربرد گام شمار در نوکیا سپرتس ترککر می‌باشد. برخی دیگر از وسایل، با اجزای ارزان تری سنجش شیب را فراهم می‌کنند که یک شتاب سنج واقعی نیستند. Nokia 5500 از شتاب سنجی ۳ بعدی استفاده می‌کند که از طریق نرم فزار قابل دسترسی است. این وسیله در شناسایی گام (شمردن) در کاربردهای ورزشی استفاده می‌شود و برای شناسایی وضعیت ضربه زدن در سطح تماس کاربر می‌باشد. وضعیت ضربه زدن می‌تواند برای کنترل پخش‌کننده‌های موسیقی و کاربردهای ورزشی استفاده شود، برای مثل تغییر به آهنگ بعدی با ضربه زدن به لباس وقتی که پخش‌کننده درون جیب است. برخی دیگر از وسایل، با اجزای ارزان تری سنجش شیب را فراهم می‌کنند که یک شتاب سنج واقعی نیستند. گسترش دهنده‌های شخص ثالث، استفاده از شتاب سنج‌ها را با کاربردهای تزینی مثل عروسک‌های با سر گردان توسعه داده‌اند. این وسیله به‌طور کلی به عنوان سنسور شیب برای جهت‌یابی وضعیت عکس گرفته شده توسط دوربین داخلی می‌باشد، بعدها ارتقای یک سخت‌افزار امکان استفاده از آن در کاربردهای دیگر را میسر کرد. وقتی که دوربین ساکن است (اگر فقط برای یک میلی ثانیه، همانگونه که این شرایط می‌تواند برای لرزش رخ دهد)، CCD بسته می‌شود. برخی از دوربین‌های دیجیتال، دارای شتاب سنج هستند تا جهت عکس در حین گرفته شدن را تعیین کنند و همچنین در هنگام دیدن عکس فعلی بتوانند آن را بچرخانند. بی نقص بودن وسیله بسیاری از لب تاپ‌ها از شتاب سنج استفاده می‌کنند، مثل سیستم فعال حفاظت Lenovo (سابقاً متعلق به IBM) و سنسور حرکت ناگهانی Apple، که برای شناسایی سقوط استفاده می‌شود. اگر سقوطی تشخیص داده شود، هد (head) حافظه جدا می‌شود تا از نقسان داده و آسیب دیدن احتمالی هد یا حافظه جلوگیری شود. جاذبه سنج نوعی شتاب سنج است با این تفاوت که شتاب سنج‌ها حساس به همهٔ ارتعاش‌ها از جمله نویزهستند که منجر به شتاب نوسانی می‌شود. اگرچه استاندارد اصلی طراحی مشابه شتاب سنج می‌باشد، ولی جاذبه‌سنج‌ها حساس‌تر از شتاب‌سنج‌ها طراحی شده‌اند تا تغییرات بسیار کوچک جاذبه، در حدود 1g، در میدان زمین را اندازه‌گیری کند. از سوی دیگر، شتاب‌سنج‌های دیگر معمولاً برای اندازه‌گیری 1000g یا بیشتر طراحی می‌شوند، و بسیاری دیگر اندازه‌گیری‌های چند بعدی را اجرا می‌کنند. محدودیت در دقت دمایی معمولاً برای جاذبه سنج‌ها کمتر است، در نتیجه دقت به وسیلهٔ پردازش خروجی با ثابت زمانی طولانی‌تر قابل افزایش است. انواع شتاب‌سنج شتاب­‌سنج‌­ها با توجه به فناوری ساخت به انواع مختلفی تقسیم ­بندی می‌­شوند که هر یک از این موارد دارای ویژگی­‌های خاص و روش­‌های اندازه­‌گیری متفاوتی نسبت به هم هستند. | ## جمع‌بندی | تمام این نوع از شتاب‌سنج‌ها معایب و مزایایی دارند و هیچ طراحی منحصر به فردی که بتواند تمام نیازهای بازار رفع کند وجود ندارد.