شتاب سنج

کاربرد

شتاب نرخی است که در آن سرعت با توجه به زمان تغییر می کند . اگر ماشینی سرعت خود را از ۳۰kph به ۴۰kph در ۱۰ ثانیه با توجه به جاده تغییر می دهد ، شتاب آن در هر ثانیه ۱kph خواهد بود اگر همان ماشين پس از ۱۰ ثانیه دوباره سرعت خود را به ۳۰kph کاهش دهد ، کاهش شتاب آن نیز به همان نسبت خواهد بود با این که کاهش شتاب معمولا همان شتاب منفی بیان می شود .

هنگامی که ماشین در حال شتاب گیری باشد ، مسافر ها نیرویی افقی احساس می کنند . همچنین فضانورد ها نیز در یک موشک که در حال پرتاب شدن است حس می کنند به پایین فشار داده می شوند . با توجه به نظریه ی معادل انیشتین ، نیرو هایی که از شتاب حاصل می شوند از نیروی گرانش قابل شناسایی و تمییز نیستند .

در نتیجه سنسوری که شتاب را اندازه گیری می کند همچنین می تواند جاذبه را نیز شناسایی کند . این سنسور یک شتاب سنج نامیده می شود . خروجی آن بر حسب گرانش است ، که با حرف G تشان داده می شود ( نباید با G برای اندازه گیری میدان مغناطیسی بر حسب گاس اشتباه گرفته شود ) .

اگر سه شتاب سنج به صورت متعامد با زاویه ی ۹۰ درجه نسبت به هم قرار گرفته باشند خوانش آن ها می تواند مشخص کند : 

– جهت شتاب شیع در حال حرکت

– اینکه آیا شئ در حال پایین آمدن است یا سقوط آزاد

– کدام راه به سوی بالا در حالت ثابت نگه داشته شده است

– شدت برخورد شئ به هنگام تصادم با شئ دیگر

IMU

ژیروسکوپ نرخ چرخش محفظه ای که در آن نصب شده است را اندازه گیری می کند . معمولا به این قضیه سرعت زاویه ای گفته می شود . ژیروسکوپ همچنین به تغییرات نرخ چرخش نیز واکنش نشان می دهد . ژیروسکوپ حرکت خطی و یا زاویه ی استاتیک یک جهت را اندازه نمی گیرد . مغناطیس سنج میدان مغناطیس اطراف خود را می سنجد و می تواند به اندازهی کافی برای مشخص کردن جهت خود نسبت به میدان مغناطیسی زمین حساس باشد .

هنگامی که شتاب سنج و ژیروسکوپ در یک بسته قرار می گیرند ، که به صورت اختیاری با یک مغناطیس سنج نیز همراه می شوند ، آن ها را MU امی نامند ( واحد سنجش جبری ) ، که می تواند داده های مورد نیاز برای مانور هواپیما ، هواپیمای جنگی با جنگندهی دریایی را هنگامی که سیگنال های GPS موجود نیستند ارائه کند

نماد های شماتیک

شتاب سنج مبتنی بر چیپ را می توان به صورت شماتیک به صورت یک مستطیل حاوي مخفف هایی برای شناسایی عملکرد های بین نشان داد ، همانند هر چیپ مدار مجتمع دیگر . نماد خاصی برای هیچدام از این قطعات وجود ندارد .

موارد استفاده

در گذشته شتاب سنجها قطعاتی بودند که در دستگاه های آزمایشگاهی برای تنظيم عملکرد ماشین ها ، هوا پیماها و سایر انواع اتومبیل ها به کار برده می شدند .برای اندازه گیری قابلیت تایر های ماشین برای تحمل نیرویی که اعمال می شود از شتاب سنج استفاده می شد

کاهش اندازهی عناصر شتاب سنج ، به همراه کاهش شدید هزينه ، باعث شد که بر روی دستگاه های الکترونیکی کوچک از جمله تلفن های هوشمند تا هارد دیسک ها نصب شوند .

در یک دوربین یا تلفن ، شتاب سنج برای تعیین جهت نگه داری دستگاه توسط کاربر به کار می رود .

دوربین می تواند بر این اساس تصویر را چرخش دهد و جهت تصویر می تواند در کنار داده های تصویر ذخیره شود . در یک هارد اکسترنال که حاوی صفحات چرخنده است ، شتاب سنج ها می تواند از هدهای خوانش و نوشتن با ثابت کردن آن ها در کسری از ثانیه هنگامی که هارد در حال سقوط بوده و به زمین برخورد می کند محافظت کند .

شتاب سنج ها را می توان در ماوس های سه بعدی و یا هدست های واقعیت مجازی به کار برد تا جهت و حرکت شناسایی شود . این باعث می شود که تصویر ویدئویی مناسبی آپلود شود . برای مثال ، ریموت Nintendo Wii دارای شتاب سنج ADXL330 می باشد .

در یک اتوموبیل ، شتاب سنج می تواند پیاده سازی ایربگ را هنگامی که کاهش شتاب توسط یک پرخورد با آستانه ی مشخص رخ داده است انجام دهد .

عملكرد

ساده ترین مدل مفهومی بری شتاب سنج یک تودهی متصل به یک انتهای یک هسته است که بر علیه یک فنر فشار داده می شود . انتهای دیگر فنر به شیء متصل است که شتاب آن اندازه گیری نمی شود . این ماده تنها در محور فتر حرکت می کند .

با استفاده از یک فنر ایده آل ، جابه جایی این توده نسبت به نرخ شتاب خواهد بود ، که دارای محدودیت های منطقی است . جابه جایی را می توان به صورت نوری یا خازنی اندازه گیری کرد .

توجه داشته باشید که حالت استراحت زمانی ادامه پیدا می کند که شتاب متوقف می شود ، صرف نظر از حرکت ثابت در هر جهت . شتاب سنج تنها تغییر در سرعت را اندازه گیری می کند . بلکه سرعت ثابت در آن قابل اندازه گیری نیست .

شتاب سنج نمی تواند چرخش به دور محور حرکت خود را اندازه گیری کند . بناب راین ، می توان آن را در کنار ژیروسکوپ استفاده کرد ، که سرعت زاویه ای را اندازه گیری می کند .

جاذبه و سقوط آزاد

مانند اگر دستگاه حاوی شتاب سنج سادهی فوق الذکر بر روی زمین باشد و به صورت عمودی قسمت سمت چپ متصل شده باشد ، جاذبه نیرویی به یک طرف فنر وارد می کند و انتهای دیگر ثابت می ماند . در این حالت شتاب سنج مقدار ۱ را به عنوان نیروی عمودی اندازه می گیرد اگر دستگاه طوری سقوط کند که به صورت آزاد تجتا تأثیر جاذبه سقوط کند ، به آن سقوط آزاد گفته می شود و تقریبا در هر ثانیه و هر ثانیه ۹ ٫ ۸ متر شتاب می گیرد . معمولا مقدار آن به صورت ( ۹ ٫ ۸ m / sec نوشته می شود و یا می تواند به صورت ۱g اندازه گیری شود و معمولا به همین صورت نشان داده می شود

شتاب سنج در سقوط آزاد g • نشان می دهد ، زیرا اکنون تمام قسمت های شتاب سنج به صورت برابر تحت نیروی گرانش شتاب می گیرد . اگر سه شتاب سنج ها به صورت متعامد در کنار هم قرار گرفته باشند و اگر یکی از آن ها عمودی باشد و دستگاه نیز نسبت به زمین بدون حرکت باشد ، سنسور عمودی 18 و سایر شتاب سنج ها مقدار را نشان می دهند . اگر دستگاه رها شود ، تمام سنسور ها G0 می شوند

چرخش

اگر دستگاهی که حاوی سه شتاب سنج است بچرخد و در حالت سقوط آزاد نباشد ، شتاب سنج های متصل به صورت متعامد مقادیری نشان می دهند که بر اساس هماهنگی نیروی گرانش متغیر خواهد بود .

محاسبه

نیرویی که روی شئ اعمال می شود باعث ایجاد نرخ شتابی می شود که می توان با استفاده از قانون دوم نیوتون ، قانون حرکت آن را محاسبه کرد ، با توجه به اینکه این شی می توان به آزادی حرکت کند و در معرض نیروی دیگری ، مانند نیروی گرانش قرار ندارد . اگر نیرو باشد ، ۳ نیز جرم شئ و a نیز شتاب باشد ، داریم

F = m × a

بنابر این

a = F / m

اگر جرم با فنری که فشار آن و یا رهایی آن تقریبا رابطه ی خطی با نیروی وارده دارد محفوظ شود ، شتاب را می توان به صورت تابعی از جابه جایی خطي جرم به دست آورد .

این گزاره ها اثراتی که مهم نیستند را در نظر نمی گیرد ، مگر اینکه دقت زمانی و حرکتی بسیار حساسی تحت نظر باشد . در شتاب سنج های واقعی ، حرکت جرم نیازمند نوعی کاهش نوسان است تا از نوسان آن جلو گیری شود .

انواع مدل ها

قیمت شتاب سنج ها پس از سال ۲۰۱۰ به شدت کاهش پیدا کرد . در تلاشی برای حفظ سود آوری ، تولید کنندگان ویژگی های بیشتری را در داخل یک چیپ قرار دادند . با اینکه شتاب سنج های دو محوره مانند 2125 Memsic گزینه ی خوبی در اوایل معرفی به نظر می رسد ، اما اکنون با ظهور شتاب سنج های سه محوره که همچنین حاوی سه ژیروسکوپ ها هستند منسوخ شده اند – و هزینه ی آن نیز بیشتر نیست .

شتاب سنج مبتنی بر چیپ اولیه خروجی های آنالوگی به دست می دهند که در آن ولتاژ با شتاب نسبت داشته و می شد با یک مقایسه کننده آن را پردازش کرد . در برخی از بردهای شکست ، مانند -Di mension Engineering DE – ACCM6G ، که از چیپ STMicroelectronics LIS244ALH استفاده می کند ، یک مقایسه کننده قرار گرفته است .

چون این برد اجازه می دهد حداکثر جریان خروجی تنها ۰ ٫ ۸۳ mA باشد ، تنها برای چیپ های منطقی امپدانس بالا یا میکرو کنترل ها مناسب بود . با این همه ، چون خروجی آنالوگ بود ، میشد آن را برای ارتباط مستقیم با پیزو بیپر از طریق یک مقایسه کننده متصل کرد تا دستگاهی ایجاد شود که به هنگام خم شدن آرمی را سر دهد .

امروزه چیپ های بسیاری دارای ژیروسکوپ و همچنین شتاب سنج هستند که در آن شکل های زیگزاگ فترهایی هستند که پیچیدگی یک چیپ که هر دو نوع سنسور را در خود دارد نیازمند این است که کد پردازش شش به پایه ای متصل شده اند ، منطقه ی بزرگ که دارای نقطه است جرم هایی هستند که می توانند به انواع شکل های حرکت واکنش نشان دهند و صفحات موازی نیست سنسور های خازنی هستند .

خروجی پیچیده تر باشد ، در نتیجه ، چیپ های شتاب سنج بیشتری امروزه دارای ADC مربوط به خود به صورت اتبورد هستند و رجیستر های دیجیتالی برای ارتباط با میکرو کنترل ها از طریق I2C در آن ها جای گرفته است . برخی از چیپ ها همچنین دارای پردازش آنبورد برای تفسیر ترکیب داده هستند . با این همه ، هنوزهم  میکرو کنترل ها نیازمند کدی برای احساس این داده هستند .

جامعه ی علاقه مندان به الکترونیک پاسخ و واکنشی نشان دادند . یک برد شکست مانند LSM9DS0 محصول Adafruit ، با استفاده از چیپ از STMicroelectronics که حاوی همان شماره ی قطعه است سعی می کند یک چیپ بسیار پیچیده ای را درست کند که به آزمایش کنندگان قابل دسترس است SMSDS0 اشکل ۶ ٫ ۱۰ یک مغناطیس سنج سه محوره در کنار ژیروسکوپ سه محوره و شتاب سنج سه محوره را نشان می دهد . دیتاشیت LSM9DS0 به ۷۰ صفحه نیز می رسد . به هنگام اتصالات ، -Ada fruit یک کد پالاینده است برای Arduino است تا ویژگیهای این چیپ را ترکیب کند .

علی رغم پیچیدگی هایی که چیپ LSM9DS0 دارد ، برد شکست با هزینه ی تقریبا یکسانی با مغناطیس سنج دو محورهی خروجی آنالوگ DE- ACCM6G فروخته می شود . در آینده انتظار داریم که هزینه های IMU بیشتر از این نیز کاهش پیدا کند ، تا اینکه این چیپ چند کاره بتواند یک پیش فرض شود و کاربران به سادگی عملکرد هایی که به آن نیاز ندارند را کنار بگذارند . 

منبع: