الکترونیک و مخابرات, دانشنامه, سنسور

سنسور اینرسی چیست؟

فهرست مطالب

سنسور‌های اینرسی (Inertial Sensors) برای تبدیل نیروی اینرسی به سیگنال­‌های الکتریکی قابل اندازه­‌گیری، برای سنجش شتاب، شیب و ارتعاش یک جسم مورد ‌‌‌‌‌‌‌­‌­­­­‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌استفاده قرار می‌گیرند. فناوری میکروماشین تولید سنسور‌های اینرسی MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیکی) را با بهره‌­گیری از عناصر سنسور سیلیکونی تک­ کریستال ممکن ساخته‌­است.

این سنسور‌های در اندازه میکرون، از تمام خصوصیات اصلی پیش­برنده طراحی این سیستم­‌ها، مانند: هزینه کم، عملکرد بالا، دقت زیاد و فاکتور فرم (form-factor) کوچک برخوردار می‌باشند. براساس قانون‌های مشابه، سنسور‌های اینرسی MEMS نیز مانند سنسور‌های اینرسی ماکروسکوپی، با استفاده از یک سنسور در ابعاد چند میکرومتر، قادر به تشخیص کوچکترین تغییر در موقعیت، جهت‌گیری و شتاب یک جسم، در حد چند متر می‌باشند.

عمدتا، دو نوع حسگرهای اینرسی MEMS وجود دارند: شتاب­‌سنج‌ها، شتاب خطی را در یک یا چند جهت اندازه‌گیری نموده و ژیروسکوپ‌ها حرکت زاویه‌ای را مورد سنجش قرار می‌دهند. این سنسور‌ها برای استفاده در کاربرد­­های خاصی تولید می­‌شوند؛ زیرا هر کاربرد سنسور‌های اینرسی به پهنای باند، رزولوشن و دامنه دینامیکی متفاوتی نیاز دارد.

1. سنسورهای اینرسی MEMS

برای مثال: سنسور اینرسی استفاده‌­شده در سیستم رهاسازی کیسه هوای خودرو، باید دارای پهنای باند تا 0.5KHz، رزولوشن در حدود 500mG و دامنه دینامیکی 100G-/+ باشد؛ در حالی که سنسور اینرسی به‌کار­رفته در یک ابزار اندازه‌گیری میکروجاذبه فضایی، باید دارای پهنای باند 0-10Hz، دارای رزولوشن دقیق <1µG و دامنه دینامیکی کمتر از 1G-/+ باشد.

در حالت کلی، سنسور‌های اینرسی قسمتی از سیستم کنترلی در هر اپلیکیشن یا دستگاهی می‌باشند. صرف داشتن اطلاعات از شتاب یا حرکت زاویه‎‌ای یک جسم کاربردی ندارد، اطلاعاتی که از سنسور اینرسی جمع‌آوری می‌شود، همیشه برای کنترل حرکت خود دستگاه یا فعال کردن محرک (actuator) به کار گرفته می­‌شود مانند: باز کردن کیسه هوا در یک خودرو.

کاربردهای حسگرهای اینرسی

درگذشته ساختن سنسور‌های اینرسی یک فرآیند پرهزینه بود و تنها به کاربردهای نظامی و هوافضا محدود می‌شد، با پیشرفت سنسور‌های اینرسی MEMS، امکانات لازم و استفاده از سنسور‌های اینرسی در اتومبیل و بخش‌های مختلف مصرفی الکترونیکی میسر گشت.

در صنایع اتومبیل، از شتاب‌سنج، در کنترل رهاسازی کیسه هوا، کنترل کشش، کنترل کمربند ایمنی، سیستم تعلیق فعال، سیستم ترمز ضد انفجار (ABS) و نظارت بر ارتعاشات خودرو استفاده می‌­شود؛ در حالی که ژیروسکوپ برای محافظت در برابر چرخش، نشانگرهای خودکار، فرمان برقی و کنترل دینامیک خودرو به کار گرفته می‌­شود.

در بخش مصرفی، سنسور‌های اینرسی برای کاربردهای مختلفی مانند: سکوی تثبیت در دوربین‌های ویدئویی، هدست های واقعیت مجازی، دستگاه‌های اشاره‌گر برای رایانه‌ها، اسباب‌بازی‌های هوشمند و صفحه کلیدهای بازی استفاده می­‌شود. امروزه، همه تلفن‌های همراه هوشمند و تبلت‌ها دارای سنسور‌های اینرسی برای تشخیص چرخش صفحه نمایش، بازی و برنامه‌های واقعیت افزوده می­‌باشند.

سنسور‌های اینرسی، همچنین برای نظارت بر موقعیت و جهت‌­گیری بازوهای رباتیکی و خودروهای رباتیک بدون سرنشین کاربرد دارد. در کاربردهای پزشکی، این سنسور‌ها برای مانیتورینگ (monitoring) بیماران با شرایط خاص، مانند: مانیتورینگ بیماران مبتلا به بیماری پارکینسون استفاده می­‌شود. سنسور‌های پیشرفته اینرسی برای کاربرد­های نظامی و هوافضا، مانند: مهمات هوشمند، کنترل دینامیک هواپیما، تشخیص تصادف، سیستم بیرون انداختن صندلی در هواپیما­ها و اندازه‌گیری میکروجاذبه، به کار گرفته می‌­شود.

شتاب‌سنج‌ها

شتاب‌سنج ها از یک عنصر sensor مکانیکی تشکیل شده‌اند که شتاب را در یک یا تعداد بیشتری جهت اندازه‌گیری می ‌نمایند. عنصر سنسور از یک جرم اثبات (جرم اثبات (proof mass) و یا جرم تست (test mass)، کمیت شناخته‌شده جرم است که در یک ابزار اندازه‌­گیری به عنوان مرجع، برای اندازه‌­گیری مقدار مجهول استفاده می­‌شود.) که توسط سیستم تعلیق مکانیکی به یک قاب مرجع متصل شده است ،تشکیل می­شود. در سنسور‌های MEMS، جرم اثبات یک جرم لرزه‌ای بسیار کوچک است و سیستم تعلیق از فنرهای سیلیکونی ساخته شده است.

2. نمای بالای میکروطرح یک شتاب‌سنج کوادرنت (quadrant)

هرگاه سنسور به دلیل شتاب، مقداری از نیروی اینرسی را حس کند، جرم اثبات از موقعیت پایدار خود منحرف می شود. قانون دوم حرکت نیوتن بر این امر حاکم است. انحراف جرم اثبات به سمت شتاب یافتن، توسط یک معادله لاپلاس به شرح زیر بیان می شود:

در اینجا:

x نشان‌دهنده جابه­‌جایی جرم اثبات،

a نشان‌دهنده شتاب،

s نشان‌دهنده عملگر لاپلاس،

b نشان‌دهنده ضریب میرایی،

m نشان‌دهنده جرمِ جرم اثبات،

k نشان‌دهنده ثابت فنر مکانیکی سیستم تعلیق می‌باشد.

با معادله زیر، فرکانس تشدید سیستم بدست می‌آید :

با معادله زیر، فاکتور کیفیت را بدست می‌آوریم :

و با معادله زیر، حساسیت سنسور (حلقه باز) محاسبه می‌شود :

همان طور که می‌توان دید؛ در­صورت افزایش حساسیت، فرکانس تشدید کاهش می‌یابد و برعکس. این مسئله را با سیستم حلقه بسته می­‌توان تنظیم نمود. ضریب­ میرایی، بیشینه‌ی پهنای باند شتاب‌سنج را مشخص می‌کند. در شتاب­‌سنج های MEMS، ضریب‌میرایی در بیشتر اوقات متغیر بوده و با جابجایی جرم اثبات افزایش می‌­یابد.

در تمام انواع شتاب­‌سنج‌های میکروماشینی، جابجایی جرم اثبات، توسط رابط‌های اندازه‌گیری موقعیت، سنجش می‌شود. همانند اندازه‌گیری خازنی، صفحه‌های محرکی چسبیده به جرم اثبات وجود دارند که در امتداد جرم اثبات در بین الکترودهای خازنی ثابت حرکت می‌کنند. انواع مختلفی مکانیزم‌های حس‌کنندگی در طراحی شتاب­‌سنج‌ها وجود دارد. برخی از روش های متداول آن، پیزورزیستوری، خازنی، پیزوالکتریکی، نوری و جریان تونلی (tunnelling current) می‌­باشد.

شتاب­‌سنج‌­ها می­‌توانند دارای سیستم حلقه‌­باز و یا حلقه­‌بسته باشند. در صورتی که، سیگنال‌های الکتریکی دریافت شده، توسط رابط‌های اندازه‌گیری موقعیت، به صورت مستقیم به عنوان سیگنال خروجی استفاده شود؛ سیستم حلقه باز می‌باشد. بیشتر حسگرهای شتاب‌سنج به دلیل سادگی ساخت حلقه‌باز هستند. با این حال؛ شتاب­‌سنج‌­های حلقه‌­باز، به دلیل ضریب فنر متغیر، ضریب میرایی متغیر و جابجایی‌های غیرخطی جرم اثبات، باید تلرانس بالایی را مدیریت کنند.

در شتاب­‌سنج‌های حلقه‌بسته، یک سیستم فیدبکی وجود داشته که نیروی فیدبکی را متناسب با شتاب به جرم اثبات، اعمال می‌کند و جرم اثبات را به موقعیت استراحت بر­می‌­گرداند. در این حالت، فاکتور‌های غیر‌خطی لغو می شوند، حساسیت به کنترل فیدبکی وابسته شده و دینامیک سنسور به صورت دقیق و مشخصی توسط کنترلر سیگنال الکتریکی کنترل خواهد شد. با فعال کردن الکترواستاتیکی، حرارتی یا مغناطیسی می‌­توان جرم اثبات را به موقعیت استراحت خود بازگرداند. در کنترل سیگنال فیدبک، نیروی فیدبک می‌تواند آنالوگ و یا دیجیتال باشد که همه این موارد سبب پیچیده‌تر شدن طراحی سنسور خواهد شد.

روش‌های حس‌کنندگی شتاب‌سنج

راه‌­های زیادی برای حس کردن شتاب در یک جهت خاص توسط شتاب‌سنج وجود دارد. برخی از این روش‌ها به شرح زیر خواهد بود:

1- شتاب‌سنج‌های پیزورزیستیو (Piezoresistive Accelerometers)

در این نوع از شتاب‌سنج‌ها، جرم اثبات به یک پیزورزیستور متصل شده است. این مقاومت، به یک مدار الکترونیکی بازخوانی (read out) متصل شده است. زمانی که جابجایی در جرم اثبات رخ می‌دهد، متناسب با نیروی اعمال شده، در مقاومت پیزورزیستور تغییر رخ می‌دهد. این نوع شتاب‌سنج‌ها اولین بار است که به تولید انبوه می‌رسند. بزرگترین عیب این شتاب‌سنج‌ها، پایداری گرمایی آنها می‌باشد. مقاومت پیزو می‌­تواند به دلیل نویز گرمایی به طور چشم­گیری تغییر نموده و منجر به خروجی اشتباه در سیستم شود.

3. مثال نشان‌دهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های پیزورزیستیو

2- شتاب‌سنج‌های خازنی (Capacitive Accelerometers)

در شتاب‌سنج‌های خازنی، انگشتان حس‌کننده خازنی (capacitive sense fingers) به جرم اثبات متصل می‌شوند و با جابجایی آن، در امتداد یک محور معین حرکت می­‌کنند. هر صفحه متحرک بین دو الکترود قرار گرفته است؛ زمانی که شتاب وجود دارد، جرم اثبات در جهت مخالف حرکت جا­به‌­جا می­‌شود و صفحه متغیر در امتداد آن حرکت می‌‍­کند. تغییر در موقعیت صفحه متغیر در امتداد محور،سبب تغییر فاصله آن با صفحه‌های الکترودی شده و همچنین سبب تغییر متقارن در ظرفیت خازنی می­‌گردد. سپس این امر به عنوان خروجی الکتریکی توسط یک مدار الکترونیک بازخوانی اندازه‌گیری می­‌شود. شتاب­‌سنج‌­های خازنی از­نظر حرارتی پایدار می­‌باشند؛ اما مستعد تداخل الکترومغناطیسی بوده و در­این­صورت، می­‌توانند سبب خروجی غلط به دلیل پارازیت خازنی شوند.

4. مثال نشان‌دهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های خازنی

3- شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometers)

بیشتر شتاب­‌سنج‌­های ماکروسکوپیکی، از ماده پیزوالکتریک برای تشخیص حرکت جرم اثبات استفاده می‌­نمایند. این امر، در شتاب­‌سنج‌­های میکروماشینی نیز، به دلیل استفاده از قانون مشابه برقرار است. این شتاب­‌سنج­‌ها دارای پهنای­‌باند وسیع می‌باشند؛ اما به­‌دلیل وجود جریان نشتی، فرکانس تشدید آن­ها بسیار پایین است. ماده پیزوالکتریک، سیگنال الکتریکی را متناسب با جابه‌­جایی جرم اثبات، در امتداد یک محور خاص تولید می‌نماید.

5. مثال نشان‌دهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک

4- شتاب‌سنج‌های تونلی (Tunnelling Accelerometers)

این نوع از شتاب­‌سنج‌­ها از جریان تونلی برای اندازه‌­گیری جابه‌جایی جرم اثبات استفاده می‌­کنند. جریان تونلی بین نوک تیز و الکترود با فاصله نوک- الکترود به صورت نمایی تغییر می‌­کند. معادله‌­ی زیر، جریان تونلی را نشان می‌دهد:

در اینجا:

I نشان­‌دهنده جریان تونلی بین نوک و الکترود،

I0 نشان‌دهنده جریان مقیاس‌گذاری شده وابسته به ماده مورد استفاده،

β نشان‌دهنده ضریب تبدیل،

φ نشان­‌دهنده ارتفاع سد تونل در eV،

z نشان‌­دهنده فاصله نوک-الکترود می‌باشد.

6. مثال نشان‌دهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های تونلی

5– شتاب‌سنج‌های تشدید (Resonant Accelerometers)

در شتاب­‌سنج­‌های تشدید، جرم اثبات به تشدید‌کننده متصل شده‌است. جابجایی آن، کرنش (Strain) تشدیدکننده و همچنین فرکانس تشدید را تغییر می‌دهد. این تغییر در فرکانس، توسط مدار شمارنده فرکانس به سیگنال‌های الکتریکی دیجیتال تبدیل می­‌گردد. این شتاب­‌سنج‌­ها کاملا در برابر نویز مصون بوده و از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار می­‌باشند زیرا تغییرات فرکانس را می‌توان مستقیما به قالب دیجیتال تبدیل نمود.

7. مثال نشان‌دهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های تشدید

6- شتاب‌سنج‌های نوری (Optical Accelerometers)

این شتاب­‌سنج­‌ها از فیبر نوری و راهنماهای موجی (wave guides) متصل به جریان اثبات استفاده می­‌کنند. با این حال، نوع فیبر نوری شتاب­‌سنج‌­ها برای ساخت دسته‌ای (batch) مناسب نیستند؛ زیرا فیبر باید به صورت دستی در نزدیکی جرم اثبات، در مجموعه سنسور نصب شود. نوع دیگری از شتاب­‌سنج­‌های نوری از آشکارسازهای LED و فوتوپین برای اندازه‌گیری جابجایی جرم اثبات، استفاده می‌کند. شتاب‌­سنج‌­های نوری این مزیت را دارند که فاقد تداخل الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی می‌باشند؛ اما از آنجایی که آنها معمولا شامل مجموعه پیچیده و مدار بازخوانی هستند، محبوبیت زیادی ندارند.

8. مثال نشاندهنده عملکرد شتاب‌سنج‌های نوری

ژیروسکوپ‌ها

یک ژیروسکوپ، چرخش یک جسم را اندازه‌­گیری می­‌کند. ژیروسکوپ­‌های MEMS، از اصل نیروی کوریولیس (Coriolis force) استفاده می‌کنند. زمانی که یک جرم در یک سیستم چرخشی حرکت می­‌کند، نیرویی عمود بر محور چرخش و جهت حرکت را تجربه می­‌نماید، این نیرو را نیروی کوریولیس می­‌نامند. ژیروسکوپ MEMS متشکل از یک ساختار مکانیکی است؛ که در اثر نیروی کوریولیس به سمت تشدید هدایت می‌شود و نوسانات ثانویه را در همان ساختار یا ساختار دوم تحریک می‌کند. نوسان ثانویه متناسب با چرخش ساختار در یک محور معین است. نیروی کوریولیس در مقایسه با نیروی محرکه خود دارای دامنه نسبتا کمی می‌باشد؛ به همین دلیل تمام ژیروسکوپ­‌های MEMS از یک ساختار ارتعاشی استفاده می­‌کنند که از پدیده نیروی کوریولیس بهره می­‌گیرد.

9. مثال نشان‌دهنده عملکرد ژیروسکوپ MEMS

ساختار ارتعاشی از یک جرم اثبات، تشکیل­ شده‌­است که توسط یک جفت فنر به یک قاب داخلی متصل می­‌باشد. قاب داخلی، از طریق مجموعه‌­ی دیگری از فنرهای متعامد به یک قاب خارجی متصل می­‌گردد. انگشت‌های حس‌کننده خازنی، بین قاب داخلی و قاب خارجی متصل شده در امتداد فنرهای متعامد، وجود دارد. نیروی کوریولیس هم با سرعت جسم چرخان و هم با سرعت جسم نسبت به محور چرخش متناسب بوده و به سمت محور چرخش و یا در جهت مخالف آن است. هنگامی که سیستم در چرخش است؛ جرم اثبات، نیروی کوریولیس را در امتداد فنرهای متعامد متصل شده بین قاب داخلی و خارجی تجربه می‌نماید. این امر، فاصله­‌ی بین انگشتان حس‌­کننده خازنی را تغییر می‌­دهد و بنابراین سیگنال الکتریکی متناسب با نیروی کوریولیس خروجی خواهد ­بود. از­آنجایی که نیروی کوریولیس متناسب با سرعت زاویه‌ای می‌باشد، سیگنال الکتریکی ناشی از آن، متناسب با سرعت زاویه‌ای سیستم نیز، خواهد بود.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 0 نظر

1 0
سنسور اینرسی چیست؟

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.