سنسور شتاب سنج چیست؟ (اصول و مبانی ابزاردقیق بخش 6)

سنسور شتاب‌سنج (Accelerometer) وسیله‌ای است که شتاب را اندازه‌گیری می‌کند، شتاب نرخ تغییر سرعت در واحد زمان است به عبارتی شتاب سنج ها با اندازه‌گیری تغییرات سرعت یک جسم در طول زمان کار می‌کنند. هنگامی که شتاب به شتاب‌سنج اعمال می‌شود، حسگر داخل آن به گونه‌ای تغییر می‌کند که می‌توان آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرد. این سیگنال الکتریکی سپس توسط یک مدار الکترونیکی اندازه‌گیری و تفسیر می‌شود تا مقدار شتاب را بدست دهد.

مبدل حرکت (Motion Transducer) نوعی مبدل یا ترانسدیوسر است که حرکت مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند، مبدل های حرکت در اتوماسیون صنعتی، حمل و نقل، پزشکی و غیره کاربرد گسترده‌ای دارند. مبدل های حرکت شامل 2 بخش مهم است:

• مبدل سرعت
• مبدل شتاب یا شتاب سنج

در این مقاله قصد داریم تا درباره شتاب سنج یعنی قسمت دوم مبدل های حرکت صحبت کنیم.

سنسور شتاب سنج چیست؟

شتاب‌سنج (Accelerometer) وسیله‌ای الکترومکانیکی است که شتاب را اندازه‌گیری می‌کند. شتاب نرخ تغییر سرعت است. شتاب سنج ها با تشخیص حرکت یک جرم داخل دستگاه کار می کنند. این جرم معمولاً توسط فنر ها به حالت تعلیق درآمده یا به یک تیر کنتی‌لیور متصل می شود. هنگامی که شتاب سنج شتاب می گیرد، جرم نسبت به بدنه دستگاه حرکت می‌کند و این حرکت به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. قدرت سیگنال الکتریکی با شتاب متناسب است. شتاب‌سنج‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله ناوبری، کنترل حرکت و تحقیقات علمی استفاده می‌شوند.

کاربرد شتاب سنج

فرمول شتاب ثابت

با توجه به کلمات ورودی سرچ کنسول تایتل داده شود

در بخش مبدل سرعت خطی و زاویه ای با فرمول‌های زیر آشنا شدیم:

از روابط ذکر شده در بالا می توان نتیجه گرفت که اگر شتاب يك جسم متحرك اندازه گيري شود، سرعت و وضعيت آن جسم را نيز مي­ توان محاسبه کرد. هم چنين نيرويي كه توسط يك جسم متحرك، تحمل مي ­شود از رابطه زير به دست مي ­آيد:

اندازه گيري شتاب قطعه ای از يك ماشين، به شما اجازه تعيين نه تنها حركت آن بلكه تنش­ هايي كه متحمل می شود؛ را نیز مي ­دهد. واحد اندازه گيري شتاب عبارت است از:

به صورتی كه نظاير آن، ,m/s² ,in./s² ,cm/s² يا ft/s² مي­ باشد.

تحت يك شتاب ثابت، نيروي ثابت f_m به جرم وارد مي ­شود. در این جا نيروي ورودي وجود ندارد (f_i = 0). تحت تاثير نيروي جرم، جرم تا موقعي كه نيرو وارد شده به فنر f_k با نيروي ناشي از شتاب برابر گردد، حركت مي­ كند و اين باعث فشرده شدن و يا كشيدگي فنر خواهد شد. در اين حالت، سيستم به حالت پايدار و يا استراحت خود مي­ رسد. از آن جا كه نيروي دمپر بستگي به سرعت دارد و جرم ديگر هيچ حركتي ندارد لذا f_R = 0.

شکل (1). سیستم جرم – فنر – دمپر (Mass-Spring-Damper Model)

اندازه گيري وضعيت جرم در نقطه استراحت، مقدار شتاب وارده بر جرم را تعيين مي­ كند. بنابراين اندازه گيري شتاب پايدار، تنها مسأله در جا به جايي است.

همان طور كه مي دانيد، سيستم جرم – فنر – دمپر، يك سيستم درجه دوم مي­ باشد و ضريب ميرايي (ζ) و فركانس رزونانس (ω_n) در اين سيستم از اهميت خاصي برخوردار است. براي اين كه رابطه فوق برقرار شود، جرم بايستي ساكن باشد. پس شتاب سنج ­ها بايد كمي “زير ميرا” (Underdamped) باشند تا در صورت تغيير در شتاب به جرم، اجازه حركت سريع و رسيدن به حالت ماندگار را بدهند.

مقدار معمول برای ضريب ميرايي در محدوده 0.1 ± 0.7 = ζ مي­ باشد.

شکل (2). ضریب میرایی (ζ) در سیستم جرم – فنر – دمپر

ویژگی ديگر سيستم­ هاي درجه دوم، فركانس رزونانس است؛ اين فركانس در سيستمی که در بالا اشاره شد، برابر است با:

اگر سيستم درجه دومي را با فركانس بالاتر از فركانس رزونانس تحريك كنيم؛ پاسخ مناسبي نخواهد داد. اگر فركانس نيروي استفاده شده به فركانس رزونانس برسد، پاسخ سيستم نوسان خواهد داشت. تنها در فركانس ­هاي پايين تر از فركانس رزونانس است كه سيستم پاسخ مناسبي خواهد داد. با يك قاعده سر انگشتي خواهيم داشت:

همان طور كه در مطالب قبل اشاره شد:

پس اندازه گيري شتاب در اين سيستم تبديل به اندازه گيري فاصله خواهد شد.

انواع سنسور شتاب سنج

در ادامه با انواع شتاب سنج و سنسورهای به کار رفته در آن آشنا میشویم، در اینجا پنج نوع شتاب سنج را شرح میدهیم:

• شتاب سنج پتانسیومتر
• شتاب سنج پیزومقاومتی
• شتاب سنج خازنی
• شتاب سنج مغناطیسی
• شتاب سنج پیزو الکتریک

شتاب سنج پتانسيومتر

شتاب سنج پتانسیومتری نوعی شتاب سنج است که از پتانسیومتر برای تبدیل حرکت مکانیکی ناشی از شتاب به سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری استفاده می کند يك شتاب سنج دارای پتانسيومتر كه فاصله يا جا به جايي جرم را اندازه گيري مي­ كند؛ در شكل زير نشان داده شده است:

شکل (3) یک نمونه شتاب سنج پتانسيومتری

مزيت این سیستم، ولتاژ خروجي بالا، عدم نياز به تقويت و نيز بهای نسبتاً پایین آن می باشد. اما، به دلیل جرم زياد مورد نياز جهت غلبه بر اينرسي و اصطكاك پتانسيومتر، فركانس رزونانس آن، كم تر از 50 هرتز است. لازم است اشاره شود كه اين موضوع به اين معني است كه فركانس قابل استفاده، به صورت قابل ملاحظه اي، كم تر از آن است (تقريباً 20هرتز). بنابراين شتاب سنج ­هاي پتانسيومتري براي فركانس ­هاي كم و يا شتاب­ هاي حالت ماندگار، کاربرد دارند.

شتاب سنج پیزومقاومتی

در شتاب سنج پیزومقاومتی كه به آن پيزورزيستيو (Piezoresistive) نیز مي­ گويند. از جرمی كه به يك ميله متصل شده، استفاده مي­ شود. شكل زير نشان دهنده اين نوع از شتاب سنج­ ها مي­ باشد:

شکل (4). نمونه ای از شتاب سنج تنش سنج پيزورزيستيو (Piezoresistive)

 

در اين شتاب سنج از تنش­ سنج هاي نوع نيمه هادي استفاده می شود، چون حساسيت يا “گيج فاكتور” بالايي دارند. در حقيقت، با استفاده از لايه هاي سيليكوني و تكنولوژي مدارات مجتمع، مي­ توان يك شتاب سنج بسيار كوچك و سبك توليد نمود.

شتاب سنج خازنی

نيروي مربوط به شتاب، صفحه­ هاي خازن را كه در راستاي عمود به جهت شتاب اعمال شده قرار گرفته اند را به یکدیگر نزديك تر مي­ كند. ظرفيت خازن به صورت معكوس، متناسب است با فاصله بين دو صفحه خازن. به این ترتيب با قرار دادن خازن در يك پل خازني كه در حالت اوليه و تعادل قرار دارد؛ مي­ توان با اندازه گيري ولتاژ خروجي پل كه متناسب با شتاب است، شتاب مورد نظر را اندازه گيري نمود.

روشی ديگر براي تشخيص تغيير ظرفيت خازن، به کارگیری آن در يك مدار نوسان­ ساز يا تايمر است كه با تغيير ظرفيت خازن، فركانس نوسان­ ساز يا زمان تايمر تغيير می کند. باید دانست كه در بیش تر نوسان­ سازها، دوره تناوب فركانس توليد شده به صورت مستقيم، متناسب با ظرفيت خازن مي ­باشد.

سنسور شتاب اثر هال

شتاب سنج مغناطيسی؟؟؟

ايده كاملاً مشابهی را می توان با به کارگیری ظرفيت خازني و هم چنین استفاده از تغيير القاء در يك سيم پيچ القائي، پياده سازی کرد. در اين نوع شتاب سنج، جرم به كار رفته، در اصل يك هسته با مقاومت مغناطيسي كم است كه به صورت نسبي، با سيم پيچ يك سلف درگیر است. شتاب در يك جهت خاص، هسته را بيش تر به داخل سيم ­پيچ برده و باعث افزايش القاء مي­ گردد و شتاب در جهت مخالف، هسته را از سيم پيچ خارج نموده و باعث كاهش القاء مي­ گردد.

• متداول ترين روش براي تبديل اين تغييرات القايي به يك سيگنال الكتريكي يك پل A.C مي­ باشد. اگرچه گاهی با به كارگیری يك مدار تانك نوسان­ ساز راديويي، ممكن است بتوان اين تغييرات را اندازه­ گيري نمود.
• روشی ديگر براي اندازه گيري شتاب با استفاده از يك سلف، يك مغناطيس دائم است. تا زمانی که شتاب، ثابت است، مغناطيس، ثابت است و هيچ ولتاژي در سيم پيچ القاء نمي­ شود. هر تغييري در شتاب موجب حركت جرم مغناطيسي به يك نقطه جديد گشته و حركت مغناطيس، سبب القاء ولتاژ در سيم پيچ مي ­شود. بنابراين در اين روش، خروجي ولتاژ، متناسب با نرخ تغييرات شتاب است. اين نوع شتاب سنج ­ها به صورت معمول در آزمايش ­هاي لرزه به کار گرفته می شوند.
• نوع ديگر شتاب سنج هاي القايی، استفاده از جرم به عنوان هسته يك مبدل از نوع LVDT است. اين روش در شكل زير نمایش داده شده است:

شکل (5). نمونه ای از شتاب سنج مغناطیسی (LVDT)

چنان چه مشاهده می شود، هسته با استفاده از دو فنر پايه ­دار (Cantilever)، درون سيم پيچ ­هاي اوليه و ثانويه معلق است. شتاب در راستاي محور حساس به شتاب، باعث حركت هسته به يك نقطه جديد مي ­شود. اين حرکت، خود نيز باعث كوپلاژ بيش تر در يكي از سيم ­پيچ ­هاي ثانويه نسبت به ديگر سیم پیچ مي­ گردد؛ به صورتی كه يك ولتاژ متناوب خروجي متناسب با تغيير مكان هسته و در نتیجه، متناسب با شتاب، توليد مي ­گردد.

اين نوع شتاب سنج ­ها داراي فركانس رزونانس حدود 80 هرتز مي­ باشند. چنان چه در مباحث قبلی توضيح داده شد؛ مي ­بايست سيم پيچ اوليه را با يك فركانس سينوسي تحريك نمود که فركانس سيگنال تحريكی باید حداقل 10 برابر فركانس رزونانس باشد.

شتاب سنج پیزوالكتریک

شايد معمول ­ترين و متداول ­ترين نوع شتاب سنج، نوع پيزوالكتريك آن باشد. كه شتاب را به يك سيگنال الكتريكی تبديل می کند. در زمان ساخت اين نوع شتاب سنج ها يك سيگنال بزرگ مستقيم به كريستال پيزوالكتريك اعمال مي­ گردد. اين روند باید زمانی كه كريستال هنوز داغ است؛ صورت پذيرد و سپس کریستال به آهستگی سرد شود. اين ميدان، موجب مي­ شود كه كريستال به صورت مداوم، در جهت ميدان الكتريكي پلاريزه كننده، ضخيم ­تر گردد.

اگر كريستال در جهت محور پلاريزه شده فشرده گردد، يك بار الكتريكی متناسب با نيرو، بين الكترودهای به كار گرفته شده برای پلاریزاسیون ايجاد مي ­گردد:

به صورتی که طبق فرمول بالا

q          بار القاء شده

F        نيروي به كار رفته

D       ضريب تنش پيزوالكتريك

به هر صورت، می­ توان با قراردادن دو الكترود يا دو صفحه موازی عايق، يك خازن ساخت. بنابراين كریستال پیزوالكتریك نيز رفتاری شبیه به خازن از خود بروز می دهد. پس ميدان الكتريكی ناشی از بار در خازن برابر است با:

در شكل زير، یک شتاب سنج پیزوالكتريكی نمایش داده شده است:

شکل (6). نمونه ای از شتاب سنج پيزوالكتريك

كريستال پیزوالكتريك قبلاً تحت بار قرار گرفته است. به صورتی که شتاب در يك جهت، باعث افزايش نيرو در كریستال و در نتيجه افزايش خروجی می­ گردد. شتاب در جهت مخالف، با بار اعمال شده قبلي، مقابله کرده و موجب كاهش نيرو در كريستال و در نتيجه كاهش سيگنال خروجي مي ­گردد.

سه مزيت اصلي شتاب سنج­ هاي پيزوالكتريكي در مقايسه با سایر شتاب سنج­ ها را مي­ توان به صورت زير بيان نمود:

• کار در مقاومت بالا تا دمای حدود 800 درجه سانتی گراد
• کوچکی ابعاد و افزايش فركانس رزونانس
• پاسخ فركانسی خوب و صاف با دامنه بالا (از فركانس ­های پائين تا حدود 10 كيلوهرتز)

ولتاژ خروجی، تابعی از تمامی خازن­ های اطراف كریستال است. با توجه به رابطه بین ظرفیت خازن و ولتاژ، هر افزايشی در خازن اطراف كريستال باعث كاهش ولتاژ می گردد. از طرف ديگر امپدانس خروجی كريستال، بالا است كه مسئله را پيچيده تر می­ كند و شتاب سنج­ های پیزوالكتريك را علاوه بر حساسيت به خازن، به مقاومت نيز حساس می­ كند.

اتصال به كانكتور، كابل كواكسيال و مدارات پردازش سيگنال، خازن­ هايی را به اطراف كريستال پيزوالكتريك اضافه می­ كند. حتي اگر اين مبدل، كاليبره شود، هر گونه تغييری در طول كابل، تقويت كننده و يا حتی شرايط محيطی، هم چون رطوبت، پاسخ مبدل را به صورت قابل ملاحظه ای تغيير می­ دهد. امپدانس بالا در كريستال نیز، موجب کندی شارژ و دشارژ خازن نيز می گردد.

راه حل اين مشكلات می تواند، يك تقويت كننده بار (Charge Amplifier) يا یک مبدل امپدانس كه درون مبدل شتاب سنج نصب شده است، باشد.

شکل (7).  شتاب سنج پيزوالكتريك با مبدل امپدانس

ترانزيستور به كار گرفته شده، يك بار خازني مشخص و ثابت را در اطراف كريستال ايجاد مي ­كند. اين ترانزيستور هم چنين، خروجي خود را از طريق يك منبع با امپدانس كم، تحريك مي­ كند كه خود موجب ايزوله كردن حالت خازني كابل و مدارات الكترونيكي از كريستال مي­ گردد.

سخن پایانی

در این مقاله با شتاب سنج و نحوه عملکرد آن آشنا شدیم، فرمول شتاب و فرمول رزونانس را شرح دادیم و در ادامه انواع شتاب سنج را بر اساس نوع سنسور به کار رفته در آن بیان کردیم. هر کدام از شتاب سنج های پتانسیومتری، شتاب سنج تنش سنج، شتاب سنج خازنی و شتاب سنج مغناطیسی را به همراه فرمول های مربوطه توضیح دادیم. لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.