ویژگی های فنی شتاب سنج
اصول کار شتاب سنج ها
اکثر شتابسنجها بر پایه پدیده پیزوالکتریک، خازنی، یا MEMS (سیستمهای میکروالکترومکانیکی) عمل میکنند. در شتابسنجهای پیزوالکتریک، یک جرم (seismic mass) به یک کریستال پیزوالکتریک متصل است. هنگام اعمال شتاب، جرم به کریستال فشار وارد کرده و آن را دفرمه میکند، که منجر به تولید یک بار الکتریکی متناسب با شتاب میشود. این نوع شتابسنجها اغلب برای اندازهگیری ارتعاشات دینامیکی با فرکانس بالا مناسب هستند و دارای پاسخ فرکانسی وسیع و خطی میباشند. از مزایای اصلی سنسورهای پیزوالکتریک، پایداری دمایی بالا و عدم نیاز به تغذیه خارجی در برخی مدلها (پیزوالکتریک پسیو) است، اگرچه نوع IEPE (شتاب سنجهای با الکترونیک یکپارچه پیزوالکتریک) بسیار رایجتر است که نیاز به یک منبع جریان ثابت دارد.
شتابسنجهای خازنی با اندازهگیری تغییر ظرفیت خازنی بین صفحات ثابت و متحرک کار میکنند. جرم متحرک تحت تأثیر شتاب جابجا شده و فاصله بین صفحات را تغییر میدهد، که منجر به تغییر ظرفیت خازنی میشود. این تغییر سپس به یک سیگنال ولتاژ یا جریان تبدیل میگردد. شتابسنجهای خازنی عمدتاً برای اندازهگیری شتابهای استاتیک و دینامیک با فرکانس پایین مناسب هستند و دقت بالایی در این محدوده ارائه میدهند. آنها اغلب در دستگاههای مصرفی مانند گوشیهای هوشمند و تبلتها به دلیل اندازه کوچک و مصرف انرژی پایین مورد استفاده قرار میگیرند. این فناوری همچنین در سنسورهای MEMS بسیار رایج است.
شتابسنجهای MEMS از ساختارهای میکروسکوپی سیلیکونی برای حس کردن شتاب استفاده میکنند. این ساختارها میتوانند شامل سیستمهای خازنی یا پیزورزیستیو باشند. مزیت اصلی سنسورهای MEMS، اندازه بسیار کوچک، تولید انبوه با هزینه پایین و قابلیت ادغام با سایر مدارهای الکترونیکی است. این سنسورها در کاربردهای خودرویی، پزشکی و دستگاههای پوشیدنی به طور گستردهای به کار میروند و امکان ساخت سیستمهای چند سنسوره کوچک و کممصرف را فراهم میآورند.
مشخصات فنی کلیدی
حساسیت (Sensitivity)
حساسیت شتابسنج نشاندهنده نسبت تغییر خروجی به تغییر شتاب ورودی است و معمولاً بر حسب میلیولت بر گرم (mV/g) برای خروجی ولتاژ یا پیکوکولن بر گرم (pC/g) برای خروجی شارژ بیان میشود. انتخاب حساسیت مناسب به محدوده شتاب مورد انتظار و دقت مورد نیاز بستگی دارد. شتابسنجهای با حساسیت بالا برای اندازهگیری ارتعاشات کوچک مناسب هستند، در حالی که شتابسنجهای با حساسیت پایینتر برای اندازهگیری شوکها و شتابهای بزرگتر استفاده میشوند. دقت در این پارامتر مستقیماً بر کیفیت اندازهگیری نهایی تأثیرگذار است.
محدوده فرکانسی (Frequency Range)
باند فرکانسی یک شتابسنج، محدودهای از فرکانسها را تعریف میکند که شتابسنج میتواند شتاب را به طور دقیق اندازهگیری کند. این پارامتر برای کاربردهای ارتعاش و شوک بسیار حیاتی است. شتابسنجهای با پاسخ فرکانسی گستردهتر برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب هستند، اما ممکن است هزینه بالاتری داشته باشند. پاسخ فرکانسی به طور معمول بر حسب هرتز (Hz) یا کیلوهرتز (kHz) مشخص میشود و دارای نقاط افت 3dB یا 5% خطی است. انتخاب صحیح محدوده فرکانسی، اطمینان از ثبت دقیق سیگنالهای مورد نظر را تضمین میکند.
محدوده اندازهگیری (Measurement Range)
محدوده اندازهگیری حداکثر شتابی است که سنسور میتواند قبل از اشباع یا آسیب دیدن، به درستی اندازهگیری کند. این پارامتر بر حسب 'گرم' (g) بیان میشود و انتخاب آن به حداکثر شتاب مورد انتظار در کاربرد بستگی دارد. برای مثال، شتابسنجهای مورد استفاده در مانیتورینگ ارتعاشات ماشینآلات صنعتی ممکن است محدودهای در حد چند g داشته باشند، در حالی که شتابسنجهای مورد استفاده برای تست شوک میتوانند محدودهای تا هزاران g داشته باشند. انتخاب محدوده مناسب از اشباع سنسور و از دست دادن دادهها جلوگیری میکند.
دمای کاری (Operating Temperature)
محدوده دمای کاری، گستره دمایی را مشخص میکند که شتابسنج در آن میتواند به درستی و با حفظ دقت عمل کند. سنسورهای با محدوده دمای وسیعتر برای محیطهای صنعتی سخت یا کاربردهای هوافضا مناسب هستند. تغییرات دما میتواند بر حساسیت و آفست شتابسنج تأثیر بگذارد، بنابراین، توجه به پایداری دمایی بسیار مهم است. برخی سنسورها دارای جبرانسازی دمایی داخلی هستند که دقت آنها را در طیف وسیعی از دماها حفظ میکند.
نویز (Noise)
نویز شتابسنج به سیگنالهای ناخواستهای اشاره دارد که توسط خود سنسور یا الکترونیک آن تولید میشوند. این پارامتر معمولاً بر حسب گرم بر رادیکال هرتز (g/√Hz) یا میلیگرم بر رادیکال هرتز (mg/√Hz) در چگالی طیفی توان (PSD) بیان میشود. نویز بالا میتواند دقت اندازهگیریهای کوچک را کاهش دهد، بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به اندازهگیری شتابهای بسیار کوچک دارند، انتخاب شتابسنج با نویز پایین حیاتی است. کاهش نویز پایه میتواند به بهبود نسبت سیگنال به نویز (SNR) کمک کند و قابلیت اطمینان دادهها را افزایش دهد.