شتاب سنج چیست؟ آشنایی با شتاب سنج و نحوه عملکرد آن

مقدمه

در این جلسه میخوایم مفاهیم شتاب سنج روبه زبان ساده بیان کنیم . قبل از آن پیشنهاد میکنم برای فهم بهتر این مطلب مباحث زیر رو بخونید:

• ADC چیست؟
• آشنایی با PWM

معرفی شتاب سنج ها

شتاب سنج ها همانطور که از اسمشان پیداست  قطعاتی هستند که شتاب را اندازه میگیرند. شتاب هم همونطور که میدونیم “نرخ تغییر سرعت در واحد زمان” در یک جسم می باشد. واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه (m/s²) یا g هست. یک g برای ما در روی زمین معادل 9.8m/s² است. البته این مقدار با تغییر ارتفاع کمی تغییر می کند ( این مقدار همچنین در سیاره های مختلف به دلیل تغییر نیروی گرانشی تغییر میکند. ).

یکی از کاربردهای این سنسور در گوشی های همراه است که هنگامی که آن را از حالت عمودی به افقی تغییر میدهیم صفحه نمایش هم تغییر می کند که این کار به کمک شتاب سنج ها انجام میگیرد. در شکل زیر تصویری از یک ماژول ADXL345 که یک شتاب سنج سه محوره هست رو مشاهده میکنید.

شتاب سنج ها چگونه کار میکنند؟

شتاب سنج ها یک قطعات الکترومکانیکی هستند که نیروهایی که باعث شتاب میشوند ( چه استاتیکی و چه دینامیکی) حس میکنند.نمونه ای از یک نیروی استاتیک ، نیروی جاذبه است و از نیروهای دینامیکی میتوان ارتعاشات و ویبره ها را نام برد.

شتاب سنج های مختلف میتوانند شتاب را در یک یا دو یا سه محور مختصات بدست آورند. البته هم اکنون شتاب سنج های سه محوره بیشتر در بازار متداول هستند.

شتاب سنج های مختلفی وجود داره که هر کدوم نحوه عملکرد خاص خودشان را دارند. در اینجا ما دو نوع خازنی و پیزوالکتریک رو با هم دیگه بررسی خواهیم کرد.

 شتاب سنج های خازنی در داخل خودشان صفحات خازنی دارند که برخی از این صفحات ثابت هستند و برخی دیگر هم متحرک هستند. حالا یه جرم  به صفحات متحرک وصل هست که اون جرم از یک طرف دیگه هم به یک نفر متصل هست.

حال وقتی به شتاب سنج نیرویی وارد میشه، اون فنر باعث حرکت جسم میشه و اون جسم هم حرکت میکنه و درنتیجه اون صفحه هم جا به جا میشه و بنابراین فاصله بین یک صفحه خازن که متحرک هست و یک صفحه خازن که ثابت هست تغییر میکنه و این باعث تغییر ظرفیت خازن میشه و با استفاده از این تغییر شتاب رو میشه اندازه گیری کرد.

برخی دیگر از شتاب سنج ها از پیزوالکتریک برای اندازه گیری شتاب استفاده میکنند.نحوه کار این نوع شتاب سنج هم مثل شتاب سنج خازنی هست.

در زیر این نوع شتاب سنج ها یک ماده پیزو الکتریکی وجود داره و وقتی که جسم حرکت میکنه به ماده پیزوالکتریک یک نیرو وارد میکنه و اون فشرده میشه و ماده پیزو الکتریک هم همونجور که میدونید در خروجی خودش پس از فشار ولتاژ تولید میکنه. با استفاده از این ولتاژ میشه شتاب رو اندازه گیری کرد.

شکل زیر گویای همه چیز هست:

نحوه ارتباط با یک شتاب سنج

برای اکثر شتاب سنج ها باید دو نوع سیم رو حتما وصل کنیم. اول سیم های مربوط به تغذیه و دوم سیم های مربوط به پروتکل ارتباطی. حتما برای این که مطمین بشید اتصالات رو درست انجام دادید، دیتاشیت اون شتاب سنج رو بخونید.

راه های ارتباطی با یک شتاب سنج:

پروتکل هایی که میشه از طریق اون ها با یک شتاب سنج ارتباط برقرار کرد متنوع هستند. از راه های دیجیتال و آنالوگ گرفته تا ارتباط از طریق PWM .

سنسورهای شتابی  که از طریق آنالوگ میشه با اون ها ارتباط برقرار کرد ، معمولا شتاب های مختلف رو از طریق سطوح ولتاژ متفاوت در خروجی خودشون به کاربر تحویل میدن. یعنی یه شتاب سنج در خروجی خودش مثلا برای شتاب 1g ولتاژ خروجی 3 ولت میده و برای شتاب 0.25g خروجی 1 ولت میده.

بدیهی هست که سطوح ولتاژ خروجی حتما بین زمین و ولتاژ تغذیه شتاب سنج خواهد بود.بعد از این که این ولتاژ رو ما از طریق یک میکروکنترلر دریافت کردیم میتونیم با استفاده از یک ADC این مقادیر رو بخونیم و شتاب مورد نظر رو بدست بیاریم. معمولا قیمت این شتاب سنج ها از نوع دیجیتال کمتر هست.

با شتاب سنج ها میشه از طریق پروتکل های دیجیتال مثل I2C و SPI هم ارتباط برقرار کرد. این شتاب سنج ها معمولا قابلیت های بیشتری دارند و همچنین نویزپذیری اون ها نسبت به نوع  آنالوگ کمتره.

یه سری شتاب سنج ها هم هستند که خروجی اونها یک موج PWM هست که دوره تناوب مشخصی دارند و و از طریق تغییر مقدار Duty Cycle ، شتاب های مختلف در خروجی نشون داده میشه.

تغذیه:

شتاب سنج ها معمولا قطعاتی با توان مصرفی کم هستند. توان مورد نیاز اونها معمولا در رنج میکروآمپر یا میلی آمپر هست. همچنین ولتاژ کاری اونها هم چیزی در حدود 5 ولت و یا حتی کمتر هست.

توان مصرفی این قطعات بسته به این که در چه مدی کارمیکنند متفاوت هست.( به عنوان مثال در مورد Power saving ( ذخیره انرژی) یه توان مصرف میکنن و در مد استاندارد (Standard) یه توان دیگه ای مصرف میکنند.) کاربرد این مدهای کاری مختلف بیشتر برای باتری هاست که به ما کمک میکنه تا متناسب با هر باتری یکی از این مدها رو انتخاب کنیم.

نحوه انتخاب یک شتاب سنج

وقتی میخواید یه شتاب سنج رو انتخاب کنید چند تا ویژگی مهم هست. اول از همه تغذیه و پروتکل ارتباطی اون که در بخش قبل اون ها رو بررسی کردیم. یک مشخصه دیگه هم وجود داره که اون مشخص “رنج اندازه گیری شتاب” مربوط به یک شتاب سنج هست و در زیر اون رو هم بررسی کردیم:

رنج اندازه گیری (Range):

اکثر شتاب سنج ها یک رنج اندازه گیری  دارند که این رنج قابل تغییر دادن هست. این رنج میتونه از 1g± باشه تا 250g±  . معمولا شتاب سنج هایی که رنج های پایین تری رو اندازه گیری میکنند حساسیت و دقت بالاتری دارند.

به عنوان مثال برای اندازه گیری ویبره های کوچک از شتاب سنج هایی با رنج پایین تر استفاده میشه چون این شتاب سنج ها اطلاعات بیشتر و دقیق تری رو نسبت به شتاب سنج هایی با رنج بالاتر در اختیار ما قرار میدن.( شتاب سنج هایی با رنج اندازه گیری بالا برای موشک ها مناسب هستند. )

ویژگی های اضافی برخی شتاب سنج ها:

برخی از شتاب سنج ها ویژگی هایی اضافی مثل تشخیص ضربه (tap detection)  دارند ( این قابلیت برای کاربردهایی  توان های مصرفی پایین مناسب است). خاصیت دیگه که برخی شتاب سنج ها دارند، خاصیت تشخیص سقوط آزاد (free-fall detection) است . (از این خاصیت برای محافظت از هارد دیسک ها استفاده می شود.

جبران سازی حرارتی ( برای افزایش دقت و….) و اندازه گیری 0-g  از دیگر مشخصات برخی شتاب سنج هاست که در هنگا خرید باید بهش توجه داشته باشید.

بسته به محلی که میخواید از این شتاب سنج ها استفاده کنید ، ممکنه به هر کدام از این ویژگی ها که در بالا گفتیم نیاز داشته باشید و باید طبق نیاز خودمون شتاب سنج مورد نظرمون رو انتخاب کنیم.

شاید نام IMU ها رو شنیده باشید. در IMU ها ، یک شتاب سنج و یک ژیروسکوپ و گاهی هم یک مغناطیس سنج به صورت یکجا در یک IC یا یک بورد قرار گرفته اند. از IMU های معروف میتونیم به MPU6050 و MPU9150 اشاره کنیم. از این IMU ها بیشتر در ردیابی حرکت و UAV ها (که در اون ها محل و جهت یک شی مهم هست)  استفاده میشه.

در جلسات بعدی قصد داریم شتاب سنج ADXL345 رو به صورت کامل و جامع راه اندازی کنیم. در اون جلسه از تمامی خواص یک شتاب سنج ADXL345 از جمله Tap detection و Free-fall detection استفاده خواهیم کرد و یا خواهیم گرفت که چگونه میشه اون سنسور رو کالیبره کرد.

خوب دوستان. به پایان این جلسه رسیدیم. مثل همیشه میتونید برای دریافت مطالب جدید و مطالب دیگر ما رو در اینستاگرام یا تلگرام دنبال کنید