شتاب سنج
در اغلب فعالیت‌های مهندسی، انتخاب ابزار مناسب اثرات مهمی بر نتایج اندازه‌گیری دارد. اطلاعات زیر به خوانندگان کمک می‌کند تا شتاب‌سنج مناسب را انتخاب کنند. با دسته‌بندی‌های پایه و تکنولوژی‌های آنها شروع می‌کنیم.
انواع شتاب‌سنج پایه
در کل دو دسته شتاب‌سنج وجود دارد:
- پاسخ متناوب (AC)
- پاسخ مستقیم (DC)
در یک شتاب‌سنج پاسخ متناوب، همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، خروجی به‌صورت متناوب تزویج می‌شود. برای مثال، یک ابزار تزویج‌شده متناوب نمی‌تواند برای اندازه‌گیری شتاب استاتیک مانند شتاب گرانش زمین و شتاب جانب مرکز ثابت بکاربرده شود. و تنها برای اندازه‌گیری رویدادهای دینامیک مناسب است.
از سوی دیگر، یک شتاب‌سنج پاسخ مستقیم به‌صورت مستقیم تزویج می‌شود، و می‌تواند به صفر هرتز پاسخ دهد. بنابراین می‌توان از آن برای اندازه‌گیری شتاب استاتیک، و همچنین شتاب دینامیک استفاده کرد. با این‌حال، اندازه‌گیری شتاب استاتیک تنها دلیلی نیست که باید شتاب‌سنج پاسخ مستقیم انتخاب شود.
الزامات طراحی
شتاب، سرعت، جابه جایی
اکثر مطالعات لرزشی به دانش مربوط به شتاب، سرعت و جابه جایی، متغیرهای مهمی که مهندسان در طراحی و تایید یک ساختار جستجو می‌کنند، نیاز دارند. به‌طورکلی، مقدار شتاب گرانشی (g) مبنای خوبی برای مقایسه است، اما در اغلب محاسبات طراحی، متغیرهای مورد نیاز سرعت و جابجایی هستند. برای بدست آوردن سرعت و جابجایی از خروجی شتاب، به‌ترتیب در حوزه آنالوگ و دیجیتال انتگرال و انتگرال دوگانه از سیگنال شتاب‌سنج گرفته می‌شود. این موضوع ممکن است شتاب‌سنج پاسخ متناوب را دچار مشکل کند. برای نشان دادن این موضوع، یک شتاب‌سنج پاسخ متناوب را که برای اندازه‌گیری یک پالس ورودی نیمه سینوسی برای مدت طولانی بکاربرده می‌شود، درنظربگیرید. خروجی این دستگاه به دلیل محدودیت ذاتی که با ثابت زمانی RC اعمال می‌شود، هرگز نمی‌تواند پیک ورودی نیمه سینوسی را ردیابی کند. در انتهای پالس نیمه سینوسی، به دلیلی مشابه خروجی شتاب‌سنج تزویج‌شده متناوب یک فروجهش (آفست) تولید خواهدکرد. خط قرمز در شکل زیر خروجی یک دستگاه تزویج‌شده متناوب را با یک ورودی طولانی مدت نشان می‌دهد.
این انحراف‌های دامنه به ظاهر کوچک می‌توانند منجر به خطاهای قابل توجهی در حین انتگرال عددی شوند. شتاب‌سنج پاسخ مستقیم چنین مشکلی ندارد زیرا می‌تواند بادقت ورودی کندرو را دنبال کند. در کاربردهای روزمره واقعی، ورودی‌های فیزیکی شبیه تکانه‌های نیمه سینوسی نیستند، اما مشکل اصلی تا هر زمان که به ردیابی حرکت آهسته با یک قطعه تزویج‌شده AC نیاز داشته باشد، باقی می‌ماند. حال، به تکنولوژی‌های مختلف شتاب‌سنج متداول می‌پردازیم.
شتاب‌سنج‌های AC
متداول‌ترین شتاب‌سنج‌های پاسخ متناوب از اجزای پیزوالکتریک برای مکانیزم حسگری خود استفاده می‌کنند. تحت شتاب، جرم محک شتاب‌سنج سبب می‌شود جز پیزوالکتریک بار را جابجا کند و یک خروجی الکتریکی متناسب با شتاب تولید کند.
از لحاظ الکتریکی، اجزای پیزوالکتریک شبیه یک خازن سورس با یک مقاومت داخلی محدود، معمولا در حد اهم، است. این موضوع یک ثابت زمانی RC را تشکیل می‌دهد که مشخصه‌های بالاگذر قطعه را مشخص می‌کند. به این دلیل، شتاب‌سنج پیزوالکتریک نمی‌تواند برای اندازه‌گیری رویدادهای استاتیک بکاربرده شود. اجزای پیزوالکتریک می‌توانند طبیعی یا ساخت انسان باشند. آنها دارای درجه مختلفی از راندمان انتقال و ویژگی‌های خطی هستند. دو نوع شتاب‌سنج پیزوالکتریک در بازار در دسترس هستند: نوع خروجی بار و نوع خروجی ولتاژ.
پیزوالکتریک حالت بار
اکثر سنسورهای پیزوالکتریک مبتنی بر سرامیک تیتانات زیرکونات (PZT) سرب هستند که گستره دمایی بسیار وسیع، گستره دینامیکی وسیع، و پهنای باند وسیع (قابل استفاده برای > KHZ10) دارند. زمانی‌که در یک محفظه فلزی جوش داده‌شده، غیرقابل نفوذ حفاظت می‌شود، یک شتاب‌سنج حالت بار بخاطر قابلیت تحمل شرایط محیطی سخت می‌تواند یکی از بادوام‌ترین حسگرهای باشد. به دلیل مشخصه‌های امپدانس بالای آن، یک قطعه حالت بار باید با یک کابل محافظت‌شده با نویز کم، ترجیحا در یک پیکربندی هم محور استفاده شود. نویز کم به نویز برق تماسی کم اشاره دارد، حرکتی که خروجی ناخواسته از خود کابل القا می‌شود. این کابل‌های با نویز معمولا از طریق تولیدکنندگان سنسورها در دسترس هستند. یک تقویت‌کننده بار به‌طورکلی برای ارتباط با شتاب‌سنج‌های حالت بار استفاده می‌شود تا از مشکلات مرتبط با خازن کابل موازی جلوگیری کند. با یک تقویت‌کننده بار مدرن، گستره دینامیک وسیعی (>120dB) از سنسورهای حالت بار می‌توانند به آسانی تحقق یابند. به دلیل گستره دمایی وسیع سرامیک پیزوالکتریک، برخی از قطعات حالت بار برای دمای 200- تا 460+ درجه سانتی‌گراد و فراتر از آن بکارگرفته شوند. آنها مخصوصا برای استفاده در اندازه‌گیری‌های لرزشی در بیشینه‌های دمایی به‌عنوان مثال در بررسی موتور توربین، مناسب هستند.
پیزوالکتریک حالت ولتاژ
نوع دیگری از شتاب‌سنج پیزوالکتریکی به جای بار خروجی ولتاژ را فراهم می‌کند. این کار با ترکیب تقویت‌کننده بار درون محفظه شتاب‌سنج استفاده می‌شود. دستگاه‌های حالت ولتاژ دارای حالت 3 سیم (سیگنال، زمین، توان) و حالت دوسیم (زمین، سیگنال/توان). حالت 2 سیم همچنین به عنوان پیزوالکتریک الکترونیکی مجتمع (IEPE) شناخته می‌شوند. IEPE به دلیل پیکربندی هم محور مناسب آن (دو سیم) در جایی‌که سیگنال ac برروی خط توان قرار داده می‌شود، متداول‌ترین پیزوالکتریک است. یک خازن کوپلاژ برای حذف بایاس مستقیم از خروجی سیگنال سنسور موردنیاز است. بسیاری از تحلیل‌کننده‌های سیگنال مدرن گزینه ورودی IEPE/ICP را دارند که ارتباط مستقیم با شتاب‌سنج‌های IEPE را امکان‌پذیر می‌سازد. اگر گزینه توان IEPE وجود نداشته باشد، یک شکل‌دهنده سیگنال/منبع تغذیه با توان ثابت کنونی برای ارتباط با این نوع دستگاه لازم است. دستگاه حالت 3 سیم برای عملکرد مناسب به یک خط منبع توان dc جداگانه نیاز دارد.
برخلاف یک قطعه حالت بار که تنها جز (اجزای) سنجش سرامیکی را در بر می‌گیرد، قطعه حالت ولتاژ یک مدار میکروالکترونیکی را دربرمی‌گیرد که دمای عملکرد قطعه را به حداکثر دمای عملکرد قطعات الکترونیکی که معمولا 125 درجه سانتی‌گراد است، محدود می‌کند. برخی طراحی‌ها این حد را به 175+ درجه سانتی‌گراد نزدیک می‌کنند، اما در جایی دیگر برای عملکرد درست سازش‌هایی می‌کنند.
یک نکته در گستره دینامیک کاربردی- به دلیل گستره دینامیکی بسیار وسیع در اجزای سرامیکی پیزوالکتریک، شتاب‌سنج‌های حالت بار از نظر مقیاس‌پذیری انعطاف‌پذیرترین هستند زیرا گستره وسیع سامانه می‌تواند از طریق تقویت‌کننده بار از راه دور با فرمان کاربر تنظیم شود. از سوی دیگر، قطعه‌های حالت ولتاژ، گستره وسیعی دارند که از طریق تقویت‌کننده داخلی در کارخانه از پیش تعیین شده است و نمی‌توان آن را تغییر داد. شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک در اندازه بسیار کوچک در دسترس هستند. بنابراین در ساختارهای سبک وزن برای اندازه‌گیری‌های دینامیکی مناسب هستند.
شتاب‌سنج‌های DC
خازنی
امروزه نوع خازنی (مبتنی بر تغییرات ظرفیت خازن در جرم آزمون) متداول‌ترین تکنولوژی به‌کاررفته برای شتاب‌سنج است. این شتاب‌سنج‌ها با کاربردهای تجاری وسیع مانند کیسه هوا و دستگاه‌های سیار متداول شده‌اند. در ساخت شتاب‌سنج‌های خازنی تکنولوژی ساخت سامانه‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) بکارگرفته می‌شود تا هزینه تولید انبوه کم‌تر شود. اما این دسته از شتاب‌سنج‌های خازنی با قیمت پایین معمولا از نسبت سیگنال به نویز ضعیف و گستره دینامیکی محدود متضرر می‌شوند. یک ویژگی اصلی تمام قطعات خازنی کلاک (ساعت) داخلی است. فرکانس کلاک (500Khz∼) بخش بنیادی مدار تشخیص جریان است، که به‌دلیل نشت داخلی همواره در سیگنال خروجی حضور دارد. نویز فرکانس بالا ممکن است به خوبی خارج از گستره موردنظر باشد، اما همیشه با سیگنال وجود دارد. به دلیل تقویت‌کننده/IC درونی، واسط الکتریکی 3-سیم آن (یا 4-سیم برای خروجی تفاضلی) ساده است، و فقط به یک منبع ولتاژ مستقیم ثابت برای توان نیاز دارد.
پهنای باند شتاب‌سنج خازنی تاحدودی به دلیل هندسه فیزیکی و تراکم گاز سنگین آن عمدتا به چند صد هرتز محدود می‌شود (برخی طراحی‌ها تا 1500 هرتز را پیشنهاد می‌کنند). همچنین ساختار سنسور خازنی گستره اندازه‌گیری شتاب کم‌تر را ترجیح می‌دهد. حداکثر گستره معمولا به کم‌تر از 200g’s محدود می‌شود. بجز این محدودیت‌ها، شتاب‌سنج‌های خازنی مدرن، به‌ویژه قطعات نوع ابزار دقیق، خطی بودن خوب و پایداری خروجی بالایی دارند.
شتاب‌سنج‌های نوع خازنی به‌دلیل هزینه کم برای کاربردهای نظارت درون قطعه مناسب‌ترین هستند. آنها برای اندازه گیری حرکت فرکانس پایین که در آن سطح شتاب گرانشی ( g) نیز پایین است، همانند اندازه‌گیری‌های لرزشی در مهندسی عمران مناسب هستند.
پیزومقاومتی
دیگر تکنولوژی سنجش معمولا مورد استفاده برای شتاب‌سنج‌های پاسخ مستقیم، پیزومقاومتی است. به‌جای سنجش تغییرات ظرفیت در جرم آزمون (همانند تغییر ظرفیت در یک قطعه خازنی)، یک شتاب‌سنج پیزومقاومتی تغییرات مقاومت را در کرنش‌سنج‌ها که بخشی از سامانه ارتعاشی شتاب‌سنج هستند، ایجاد می‌کند. بیش‌تر مهندسان با کرنش‌سنج آشنا هستند و می‌دانند چگونه با خروجی آن ارتباط برقرار کنند. خروجی بیش‌تر طراحی‌های پیزومقاومتی به‌طور کلی به تغییر دما حساس است. بنابراین لازم است جبران دما بصورت داخلی یا خارجی به خروجی آن اعمال شود. شتاب‌سنج‌های پیزومقاومتی مدرن، ASIC را برای تمامی قالب‌های آماده‌سازی سیگنال درون قطعه، و نیز جبران دما در محل یکپارچه می‌کنند.
پهنای باند شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک می‌تواند به بیش از 7000 هرتز برسد. بسیاری از طراحی‌های پیزومقاومتی یا گاز متراکم (انواع MEMS) یا مایع متراکم (نوع شتاب‌سنج کرنشی پیوندی) هستند. مشخصات ارتعاش می‌تواند عاملی مهم در انتخاب یک شتاب‌سنج باشد. در کاربردهایی که ورودی مکانیکی ممکن است شامل ورودی فرکانس بالا (یا پاسخ فرکانسی بسیار بالا) باشد، یک شتاب‌سنج میرا می‌تواند از لرزش سنسور (نوسان) جلوگیری کند و گستره دینامیکی را حفظ کند یا بهبود بخشد. از آنجایی‌که خروجی سنسور پیزومقاومتی تفاضلی و کاملا مقاومتی است، کارآیی سیگنال به نویز عموما قابل ملاحظه است و گسترش دینامیکی آن تنها با کیفیت تقویت‌کننده پل DC محدود می‌شود. برای اندازه گیری شوک g بسیار بالا، برخی طراحی‌های پیزو مقاومتی می‌توانند شتاب را در سطوح بالاتر از 10000g’sبه‌خوبی کنترل کنند.
به دلیل پهنای باند وسیع‌تر، شتاب‌سنج‌های نوع پیزومقاومتی برای اندازه‌گیری‌های ضربه/تکانه که در آن گستره فرکانسی و سطح g معمولا بالا است، مناسب‌ترین هستند. اطلاعات مربوط به سرعت و جابجایی را می‌توان به‌دقت بدون خطای انتگرال‌گیری از خروجی شتاب یک قطعه پاسخ مستقیم استخراج کرد. شتاب‌سنج‌های پیزومقاومتی معمولا در آزمایش ایمنی خودرو، آزمایش اسلحه‌ها، و اندازه‌گیری‌های گستره شوک بالاتر، خارج از گستره قابل استفاده شتاب‌سنج‌های VC بکاربرده می‌شوند.
خلاصه
هر تکنولوژی سنجش شتاب‌سنج مزایا و نقاط ضعف خود را دارد. پیش از انتخاب یک شتاب‌سنج، لازم است تفاوت‌های اصلی انواع مختلف و الزامات آزمایش را بدانیم.
ابتدا و در درجه نخست، تنها شتاب‌سنج‌های پاسخ مستقیم را برای اندازه‌گیری شتاب استاتیک یا فرکانس خیلی پایین (<1Khz)، یا اگر اطلاعات سرعت و جابجایی از داده‌های شتاب استخراج می‌شوند، انتخاب کنید. هردو شتاب‌سنج‌های پاسخ مستقیم و متناوب قابلیت اندازه‌گیری رویدادهای دینامیک را دارند. زمانی‌که هدف فقط اندازه‌گیری دینامیک است، اولویت انتخاب بین یک قطعه پاسخ مستقیم یا متناوب است. برخی کاربران، خروجی همبسته و یک طرفه متناوب انواع پیزوالکتریک را به آفست صفر سنسور پاسخ مستقیم ترجیح می‌دهند. برای کاربران دیگر افست صفر و چهار سیم (یا سه سیم بودن در حالت یک طرفه) مهم نیست و قابلیت‌های کالیبراسیون موازی و تست عملیاتی توکار( جابجایی 2g) شتاب‌سنج‌های مستقیم برای آنها مهم است. بطورخلاصه:
طراحی پیزوالکتریک حالت بار به‌دلیل ساختار ساده و مقاومت مواد سازنده آن، بادوام‌ترین نوع شتاب‌سنج است.
برای کاربردهای اندازه‌گیری دینامیکی دمای بالا (> 150 درجه سانتی‌گراد)، پیزوالکتریک حالت بار انتخابی بدیهی است؛ یا در اکثر موارد تنها گزینه است. با قطعه حالت بار، یک کابل هم محور با نویز کم باید به‌دلیل خروجی امپدانس بالای آن، و یک تقویت‌کننده بار کنترل از راه دور (یا یک مبدل بار توکار) برای وضعیت بار خروجی آن بکاربرده شوند.
پیزوالکتریک حالت ولتاژ برای اندازه‌گیری‌های دینامیکی متداول‌ترین و محبوب‌ترین است. دلیل این موضوع، اندازه کوچک، پهنای باند وسیع و مبدل بار توکار است که ارتباط مستقیم با بسیاری از تحلیل‌گرهای سیگنال مدرن و سامانه‌های اکتساب داده (آنهایی که منبع توان IEPE/ICP یکپارچه را ارایه می‌دهند) را امکان‌پذیر می‌سازد. پیزوالکتریک‌های حالت ولتاژ معمولا به کاربردهای کم‌تر از 125 درجه سانتی‌گراد محدود می‌شوند، اما استفاده از یک کابل هم محور نویز با نویز کم به‌دلیل خروجی امپدانس پایین آن ضروری نیست.
ویژگی‌های طراحی خازنی به‌طور بحرانی به پاسخ فوق میرا که برای اندازه‌گیری‌های فرکانس پایین است، میرا می‌شوند. هزینه کم، نوع SMD این قطعات آنها را برای خودرو حجم بالا و کاربردهای سفارشی که در آن دقت نهایی یک اولویت نیست، مناسب می‌سازد. شتاب‌سنج‌های MEMS خازنی سیلیکونی نوع ابزار دقیق گران‌قیمت‌تر پایداری بایاس خوب و نویز بسیار کم دارند. شتاب‌سنج‌های خازنی خروجی امپدانس پایین و خروجی مقیاس کامل 2V ± تا 5V ± دارند. اکثر طراحی‌ها به یک ولتاژ dc تنظیم‌شده برای توان نیاز دارند.
شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک با توجه به فرکانس و قابلیت‌های گستره دینامیکی آنها پرکاربرد هستند. یک قطعه پاسخ-DC، می‌تواند شتاب استاتیک را مدیریت کند و داده‌های دقیقی از جابجایی و سرعت تولید کند. همچنین پهنای باند وسیع آن اکثر نیازهای اندازه‌گیری دینامیک را پوشش می‌دهد. طراحی‌های پیزومقاومتی درجه مختلفی از پاسخ میرایی (از 0.1 =ζ تا 0.8) را ارایه می‌دهند که باعث می‌شود برای استفاده در انواع وضعیت‌های آزمایشی، از جمله آزمایش شوک مناسب باشد. شتاب‌سنج‌های پیزومقاومتی ساده (بدون الکترونیک) کوچک و کم وزن هستند، و خروجی مقیاس کامل 100mV ± تا 200mV ± دارند. مدل‌های تقویت‌شده (با ASIC توکار) امپدانس خروجی پایین (< 100 اهم) و خروجی مقیاس کامل 2V ± تا 5V ± دارند.
