شتاب‌سنج چیست؟ آشنایی با مفاهیم مقدماتی شتاب‌سنج‌ها

شتاب‌سنج‌ ها ابزارهایی برای اندازه‌گیری شتاب – نرخ تغییرات سرعت یک شیء- هستند. واحد اندازه‌گیری آن‌ها m/s² یا براساس شتاب جاذبه زمین (g) است. می‌دانیم که برای ما که  بر روی زمین هستیم، هر واحد g معادل با 9.8m/s²  است. ( این میزان بر روی سیارات دیگر مقداری متفاوت خواهد شد و در هر نقطه‌ای، براساس نیروی گرانش وارد شده بر آن‌جا محاسبه می‌گردد.)

از کاربردهای سنسورهای شتاب‌سنج، تشخیص لرزش در سیستم‌ها و یا جهت‌یابی است.

شتاب‌سنج‌ها چگونه کار می‌کنند؟

شتاب‌سنج‌ ها قطعاتی الکترومکانیکی هستند که قادر هستند نیروهای استاتیک ( مانند شتاب جاذبه) یا دینامیکی( مانند ارتعاشات و حرکات مکانیکی)  که موجب بوجود آمدن شتاب می‌شوند را تشخیص دهند.

محورهای اندازه‌گیری برای یک شتاب‌سنج سه بعدی

شتاب سنج‌ها می‌توانند شتاب را در یک، دو و یا سه بعد اندازه‌گیری کنند. امروزه با کاهش هزینه‌های طراحی و تولید انواع سه بعدی، شاهد رواج این نوع از شتاب‌سنج ها نسبت به انواع یک و دو بعدی هستیم.

به طور کلی شتاب‌سنج‌ها دارای دو صفحه‌ی خازنی در درون خود هستند که در بعضی از آن‌ها این صفحات به طور ثابت و فیکس شده قرار دارند و در برخی دیگر، صفحات خازنی به فنرهای کوچیکی متصل شده‌اند. در حالتی که شتاب باعث ایجاد نیروی عکس‌العمل در شتاب‌سنج‌ها شود، این فنر ها و در نتیجه صفحات خازنی به حرکت در خواهند آمد. با حرکت صفحات، ظرفیت خازنی میان آن‌ها تغییر می‌کند و با تعقیب کردن این تغییرات می‌توان وجود یا تغییرات شتاب را محاسبه نمود.

نوع دیگری از شتاب‌سنج‌ها هستند که با محوریت یک ماده پیزوالکتریک کار می‌کنند. این مواد که ساختارهای کریستالی ظریفی هستند، در صورتی که تحت فشار (مثلا فشار وارد آمده در اثر نیروی شتاب) قرار گیرند، به عنوان خروجی ولتاژ تولید می‌کنند.

مثالی برای نمای داخلی یک شتاب‌سنج پیزوالکتریک

نحوه اتصال و برقراری ارتباط با شتاب‌سنج در مدار

در اغلب شتاب‌سنج، اتصالات لازم شامل اتصال تغذیه و اتصال پین‌های مربوط به برقراری ارتباط با مدار است. معمولا چگونگی این اتصالات را در دیتاشیت هر شتاب‌سنجی قید می‌کنند بنابراین برای پرهیز از اشتباه بهتر است همیشه دیتاشیت را چک کنید.

رابط ارتباطی

شتاب‌سنج‌ها براساس یکی از انواع رابط‌های آنالوگ، دیجیتال و یا pwm با مدار ارتباط برقرار می‌کنند.

• شتاب‌سنج‌هایی با رابط ارتباطی آنالوگ؛ شتاب و تغییرات آن را براساس تغییرات ولتاژ بیان می‌کنند. این تغییرات ولتاژ معمولا در محدوده‌ی ولتاژ زمین تا ولتاژ تغذیه هستند. این مقادیر ولتاژ را می‌توان با کمک پین adc یک میکروکنترلر تبدیل کرد. این نوع شتاب‌سنج‌ها قیمت به مراتب ارزان‌تری دارند.
• شتاب‌سنج‌های دارای رابط ارتباطی دیجیتال؛ می‌توانند برای تبادل اطلاعات از پروتکل‌هایی نظیر SPI یا I²C استفاده می‌کنند. بنابراین این نوع شتاب‌سنج‌ها کاربردی‌تر بوده و احتمال نویز آن‌ها نسبت به نوع آنالوگ کمتر است.
• شتاب‌سنج‌هایی که خروجی را از طریق PWM منتشر می‌کنند؛ این خروجی‌ها به صورت موج‌های مربعی هستند که دوره تناوب معینی دارند، اما دوره‌ی کار (duty cycle) آ‌ن‌ها متناسب با تغیرات شتاب تغییر می‌کند.

تغذیه

به طور کلی شتاب‌سنج‌ها قطعات کم‌مصرفی هستند.  جریان مورد نیاز آن‌ها در محدوده‌ی میکرو یا نهایتا میلی آمپر است که معمولا توسط یک تغذیه 5 ولتی و یا 3.3 ولتی تامین می‌شود. میزان جریان مصرفی براساس تنظیمات شتاب‌سنج که در مود power saving  قرار گرفته باشد یا در مود  standard operating،  متفاوت خواهد شد. وجود این دو مود عملکردی کمک می‌کند در مواردی که استفاده‌ی بهینه از باتری حائز اهمیت بیشتری ست، بتوانیم از شتاب‌سنج‌ها به نحو مطلوب استفاده کنیم.

توجه کنید که در زمان وصل کردن اتصالات، به‌ویژه در مورد شتاب‌سنج‌های دیجیتال، سطوح ولتاژی که به هم متصل می‌شوند در وضعیت درست قرار داشته باشند. مثلا اگر سنسور با سطوح ولتاژ 3.3 ولت کار میکند میکروکنترلر شما نیز باید خروجی 3.3 ولت برای ارتباط داده داشته باشد و یا با بافرهای تغییر سطوح ولتاژ این مشکل حل بشه.

چگونه یک شتاب‌سنج انتخاب کنیم؟

زمانی که کار به انتخاب می‌رسد، چه فاکتورهایی را باید در نظر بگیریم؟ موارد متعددی هستند؛ از جمله همین تغذیه یا توان مصرفی ، نوع رابط ارتباطی و ویژگی‌های دیگری که در ادامه، در بخش قابلیت‌های جانبی به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

محدوده اندازه‌گیری

اغلب شتاب‌سنج‌ها، دارای محدوده قابل انتخابی برای شتاب‌هایی که اندازه‌گیری می‌کنند هستند. این محدوده ها می‌توانند از ±g  تا ±(250)g متغیر باشند. به طور معمول هرچه محدوده قابل اندازه‌گیری شتاب‌سنجی کوچکتر باشد، دقت اندازه‌گیری آن بیشتر است.  مثلا شتاب‌سنج‌هایی که قابلیت اندازه‌گیری تا  ±(250)g را دارند، بیشتر مناسب استفاده در موشک‌ها هستند تا اینکه بخواهیم میزان ارتعاش روی سطح یک میز را با آن‌ها اندازه‌گیری کنیم.

قابلیت‌های جانبی

برخی شتاب‌سنج‌ها قابلیت تشخیص ضربه دارند و البته بهتر است از آن‌ها در کاربردهایی که توان مصرفی پایینی دارند استفاده شود. و یا برخی دیگر قابلیت تشخیص سقوط آزاد را دارند. قابلیت متعادل‌سازی دما نیز یک قابلیت اضافی است که در برخی از انواع شتاب‌سنج‌ها وجود دارد.

قابلیت دیگر، تشخیص شتاب‌ در محدوده‌ی 0  تا g است که ممکن است در مواردی نیاز داشته باشیم.

براساس کاربردی که می‌خواهیم شتاب‌سنج را در آن‌ استفاده کنیم و نیازمندی‌های آن، شتاب‌سنجی را انتخاب می‌کنیم که دارای قابلیت‌های مدنظر باشد.

همچنین IC های دیگری به نام (IMU (Inertial Measurement Units ها وجود دارند که در درون خود شامل شتاب‌سنج، ژیروسکوپ و یا حتی گاهی مغناطیس‌سنج نیز هستند. می توان به عنوان مثال به MPU605 یا MPU9150 از این نوع IC ها اشاره کرد. این قطعات بیشتر در کاربردهای ردیابی حرکت و یا سیستم‌های هدایتی UAV که موقعیت و جهت‌یابی شیء حائز اهمیت است، استفاده می‌شوند. همچنین سنسور های دیگری مانند  ADXL330 و ADXL345 در بازار موجود هستن.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.