شتاب سنج (Accelerometer)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
شتاب سنج (Accelerometer) :
شتاب سنج وسیله ای است که شتاب (نرخ تغییر سرعت) یک جسم را اندازه گیری می کند. این شتاب می تواند ناشی از حرکت (شتاب دینامیک) یا ناشی از میدان گرانش زمین (شتاب استاتیک،
\[ g = 9.81 \, m/s^2 \]) باشد. شتاب سنج ها قادر به تشخیص شیب (با اندازه گیری مؤلفه گرانش) نیز هستند. اساس کار اکثر شتاب سنج ها بر مبنای قانون دوم نیوتن (
\[ F=ma \]) و اندازه گیری نیروی وارد بر یک جرم معلق (proof mass) است. این جرم به یک ساختار فنری متصل است و شتاب باعث جابجایی آن می شود. این جابجایی به روش های مختلفی (خازنی، پیزوالکتریک، پیزومقاومتی، نوری) اندازه گیری می شود.
انواع اصلی شتاب سنج بر اساس فناوری:
شتاب سنج پیزوالکتریک: از یک کریستال پیزوالکتریک استفاده می کند که تحت تنش ناشی از نیروی وارد بر جرم، بار الکتریکی تولید می کند. این نوع برای اندازه گیری شتاب های متغیر با زمان (ارتعاشات) ایده آل است، اما شتاب ثابت (مثل گرانش) را نمی تواند اندازه گیری کند زیرا بار به مرور زمان تخلیه می شود. پهنای باند بسیار بالا و محدوده دینامیکی وسیعی دارد.
شتاب سنج خازنی (MEMS): رایج ترین نوع در وسایل الکترونیکی. ساختار آن یک جرم معلق بین دو صفحه خازن است. با اعمال شتاب، جرم جابجا شده و ظرفیت خازن ها تغییر می کند. این تغییر ظرفیت توسط مدارهای مجتمع به ولتاژ تبدیل می شود. مزایا: اندازه کوچک، هزینه کم، توان مصرفی پایین، قابلیت اندازه گیری شتاب DC (گرانش) و AC. محدوده فرکانسی متوسط.
شتاب سنج پیزومقاومتی: جرم به یک تیرک با کرنش سنج های پیزومقاومتی متصل است. شتاب باعث خمش تیرک و تغییر مقاومت می شود. این نوع برای شتاب های بسیار بالا (چند هزار g) مانند تست های ضربه مناسب است، اما حساسیت دمایی بالایی دارد.
شتاب سنج حرارتی: یک حباب هوای گرم در یک محفظه معلق است. شتاب باعث جابجایی حباب می شود و تغییر دما توسط ترموپایل ها اندازه گیری می شود. بسیار ارزان اما کند و با دقت پایین.
\[ F = m a = k x \quad \Rightarrow \quad x = \frac{m}{k} a \quad , \quad \text{سپس } x \text{ اندازه گیری می شود.} \]پارامترهای مهم: محدوده اندازه گیری (مثلا ±۲g تا ±۱۰۰g)، حساسیت (mV/g یا LSB/g)، پهنای باند، نویز، و پایداری دمایی.
کاربردها: تشخیص جهت (شیب سنج) در تلفن ها و تبلت ها، فعال سازی کیسه هوا در خودروها (تشخیص تصادف)، پایش ارتعاشات ماشین آلات، ناوبری اینرسی، ردیابی حرکت در گجت های پوشیدنی، و تثبیت تصویر در دوربین ها.
