شتاب سنج ها

شتاب سنج دستگاهی است که مقدار شتاب صحیح (Proper Acceleration) را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است.

شتاب سنج دارای مدل‌های یک محوری و چند محوری است که می توانند اندازه و جهت شتاب را به عنوان یک کمیت برداری اندازه گیری کنند. می توان از حسگرهای شتاب سنج برای تعیین موقعیت و آشکار سازی لرزش و ضربه استفاده کرد. شتاب سنج‌های ریزماشین کاری شده با روند رو به افزایشی در لوازم الکترونیکی قابل حمل و کنترلرهای بازی‌های کامپیوتری برای تعیین موقعیت و به عنوان ورودی بازی‌های کامپیوتری به کار می روند.

شتاب سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش 'g'اندازه گیری می کنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع مانا وجود دارد، و شتاب سنج شتاب نسبت به آن دستگاه شتاب را اندازه می گیرد. به این صورت که فرض می‌کند اگر قرار بود در دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمی شد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می گیرد و شتابی را که باید داشته باشد حدس می زند.

شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه می شود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که در یک سفینه فضایی با شتاب 1g حرکت می‌کند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت نیروی گرانش 1g قرار دارد وجود ندارد و تحت اثر همان نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار تحت اثر آن ها است.

بنابراین شتاب سنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفته است شتابی برابر 1g به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی به سمت بالا شتاب می گیرد. این دستگاه مرجع لخت محلی دستگاه یک جسم در حال سقوط آزاد روی سطح زمین است. برای این که مقدار شتاب خالص ناشی از حرکت را نسبت به زمین به دست آوریم باید مقدار تفاوت شتابی که گرانش ایجاد می کند، را کم کرد. از آن جایی که نیروی گرانش موجب شتاب صحیح نمی شود و شتاب سنج نسبت به شتاب گرانشی حساس نیست، و مقدار آن را نمی تواند مستقیما اندازه گیری کند، این موضوع به طور کلی در مورد هر میدان گرانشی درست است.

ساختار شتاب سنج

به طور مفهومی، یک شتاب سنج مانند یک جسم میرا کننده روی یک فنر عمل می کند. هنگامی که شتاب سنج با شتابی حرکت می کند، جسم به اندازه ای جابه جا می‌شود که نیروی وارد شده از فنر به جسم، جسم را با شتابی برابر شتاب بدنه شتاب سنج حرکت دهد. سپس با اندازه گیری میزان جابه جایی مقدار شتاب اندازه گیری می شود.

شتاب سنج‌های جدید معمولاً بر پایهء سیستم‌های الکترومکانیکی میکرومتری (MEMS) هستند. این ادوات در واقع ساده‌ترین ادوات تحقق پذیر MEMS هستند. این ادوات دارای تیر آزادی هستند که به یک جرم لرزه ای متصل است می باشند؛ علاوه بر این ها شامل اندکی اجزای دیگر نیز می باشند. میراکنندگی در اثر گازهای باقیماندهء محبوس شده در داخل دستگاه ایجاد می شود. تا زمانی که Q-factor خیلی کم نیست، میراکنندگی موجب حساسیت کم نمی شود. تحت اثر شتاب خارجی جرم لرزه ای متصل به تیر آزاد از مکان طبیعی خود منحرف می شود. این انحراف به صورت آنالوگ یا دیجیتال اندازه گیری می شود.

معمولاً خازن بین مجموعه ای از تیرهای ثابت و مجموعه ای از تیرهایی که به جرم‌های لرزه ای متصل اند اندازه گیری می شوند. این روش ساده، قابل اعتماد و ارزان است. گنجاندن مقاومت‌های پیزو  در فنرها برای آشکارسازی تغییر شکل فنر و متعاقبا انحراف آن‌ها جایگزین خوبی برای روش قبل می باشد. این روش تنها چند مرحله پردازش اضافه در فرایند ساخت نیاز دارد. برای حساسیت‌های بالا از تونل زنی کوانتومی نیز استفاده می شود. این روش نیاز به یک پردازش اختصاصی دارد که آن را بسیار گران می کند. اندازه گیری‌های نوری در محیط آزمایشگاهی انجام شده اند.

کاربردهای شتاب سنج ها

1) مهندسی

2) زیست شناسی

3) صنعت مانیتور کردن سلامت دستگاه

4) مانیتور کردن ساختمان و بنا

5) استفاده های پزشکی

6) ناوبری

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تنظیم:اعظم اژدری

مطالب مرتبط:

جهت شتاب و سرعت

شتاب