مقياس التسارع هو جهاز استشعار يحول معلومات التسارع إلى إشارات كهربائية. ويتكون عادةً من كتلة، وآلية تخميد، وجسم مرن، وعنصر استشعار، ومكونات تصحيح الأخطاء.
مبدأ
أثناء تسارع المستشعر والجسم المراد قياسه، يتم قياس قوة القصور الذاتي المؤثرة على كتلة الكتلة، ويتم حساب قيمة التسارع باستخدام الصيغة a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (قانون نيوتن الثاني).
الأنواع (بناءً على عناصر الاستشعار)
- مقياس تسارع كهرضغطي
- مقياس تسارع سعوي
- مقياس تسارع قياس الإجهاد
- مقياس تسارع مقاوم للضغط
- مقياس التسارع الاستقرائي
- مقياس تسارع مؤازر
مقياس تسارع كهرضغطي
مقياس التسارع الكهروإجهادي (مقياس التسارع الكهروإجهادي):
المبدأ: يعتمد هذا الجهاز على التأثير الكهروإجهادي للسيراميك الكهروإجهادي أو بلورات الكوارتز. عند تحرك مقياس التسارع، تتغير القوة المؤثرة على العنصر الكهروإجهادي بواسطة كتلة الوزن، مما يؤدي إلى تشوه السيراميك الكهروإجهادي أو بلورة الكوارتز وتوليد إشارة كهربائية. تتناسب هذه الإشارة الكهربائية طرديًا مع التسارع، مما يشير إلى تغيراته. ملاحظة: يجب أن يكون تردد اهتزاز الجسم المقاس أقل بكثير من تردد رنين مقياس التسارع.
المزايا : حساسية عالية، نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، نطاق ديناميكي كبير، نطاق تردد واسع، هيكل بسيط، سهولة التركيب، عمر افتراضي طويل.
العيوب : تردد رنين عالٍ، عرضة للتداخل الصوتي؛ مقاومة خرج عالية، إشارة خرج ضعيفة، تتطلب دوائر تضخيم للكشف.
ملف تعريف مقياس التسارع من نوع القص الكهروإجهادي IEPE
مقياس تسارع سعوي بتقنية MEMS
مقياس التسارع السعوي (مقياس التسارع السعوي المتغير):
المبدأ: يعتمد هذا النوع من الحساسات على مبدأ السعة الكهربائية، حيث تتغير المسافة بين الأقطاب. أحد الأقطاب ثابت، بينما الآخر عبارة عن غشاء مرن. تحت تأثير قوى خارجية (مثل ضغط الهواء أو الضغط الهيدروليكي)، يتحرك الغشاء، مما يُحدث تغييرًا في السعة الكهربائية. يمكن لهذا النوع من الحساسات قياس سرعة الاهتزاز (التسارع) في تدفق الهواء أو السوائل، كما يمكنه قياس الضغط.
مقياس تسارع سعوي متغير بتقنية MEMS:
المبدأ: يتكون العنصر الحساس من ثلاث رقائق سيليكون أحادية البلورة ملتصقة ببعضها. تشكل الرقاقتان العلوية والسفلية قطبين كهربائيين ثابتين، بينما تعمل الرقاقة الوسطى، المحفورة كيميائيًا لتشكيل غشاء مرن يدعم كتلة مركزية صلبة، كعنصر حساس. يحدد سمك الغشاء نطاق المستشعر. توجد ثقوب صغيرة محفورة في الغشاء. عندما يتحرك الغشاء مع الكتلة، يتدفق الهواء عبر هذه الثقوب، مما يوفر قوة تخميد. يُولد التغير في السعة تغيرًا في التيار يشير إلى التسارع.
المزايا : خصائص جيدة للترددات المنخفضة، حساسية عالية، قدرة ممتازة على التكيف مع الظروف البيئية، تأثير ضئيل لدرجة الحرارة. مناسب لقياس التسارع الديناميكي والثابت، وقياسات التسارع المنخفض التردد، ويتحمل الصدمات عالية التسارع.
العيوب : علاقة غير خطية بين المدخلات والمخرجات، مقاومة خرج عالية، قدرة تحميل ضعيفة، تتأثر بشكل كبير بسعة الكابل.
التطبيقات : اختبارات التسارع والتباطؤ في المصاعد، واختبارات الرفرفة على الطائرات، واختبارات إطلاق وتحليق المركبات الفضائية، ولا غنى عنها في مجالات مثل الوسائد الهوائية والأجهزة المحمولة.
مقياس تسارع قياس الإجهاد
مقياس تسارع قياس الإجهاد:
المبدأ: تُثبّت كتلة في أحد طرفي عارضة ناتئة، بينما يُثبّت الطرف الآخر في قاعدة المستشعر. يُربط طرفا العارضة الناتئة بمقاييس إجهاد، مُشكّلةً جسر ويتستون. يُملأ الفراغ المحيط بالكتلة والعارضة الناتئة بسائل مُخمّد (مثل زيت السيليكون) لتوليد قوة التخميد اللازمة. تُؤدي حركة الجسم المراد قياسه إلى حركة المستشعر، وتنقل القاعدة الحركة إلى الكتلة عبر العارضة الناتئة. تُشوّه قوة القصور الذاتي العارضة الناتئة، مُسببةً تغيرًا في مقاومة مقاييس الإجهاد. تحت تأثير إثارة ثابتة، يُولّد جسر ويتستون إشارة جهد كهربائي تتناسب مع التسارع، مُشيرًا إلى قيمة التسارع.
المزايا : دقة عالية، نطاق قياس واسع، بنية بسيطة، استجابة تردد جيدة، سهولة التصغير والتكامل.
العيوب : عدم خطية كبيرة للإجهادات العالية، إشارة خرج ضعيفة تتطلب تعويضًا؛ دقة قياس أعلى تؤدي إلى زيادة الهشاشة.
مقياس تسارع مقاوم للضغط
مقياس تسارع كهرومقاوم بتقنية MEMS:
المبدأ: استنادًا إلى التأثير الكهروإجهادي لمواد أشباه الموصلات (السيليكون أحادي البلورة)، يتم حفر المكونات الأساسية (كتلة الكتلة، وعارضة الكابولي، والدعامة) من رقاقة سيليكون أحادية البلورة، ويتم نشر المقاومات في قاعدة عارضة الكابولي لتشكيل جسر ويتستون.
المزايا : مقاومة خرج منخفضة، مستوى إشارة خرج عالٍ، ضوضاء داخلية منخفضة، حساسية منخفضة للتداخل الكهرومغناطيسي والكهروستاتيكي، سهولة معالجة الإشارة؛ انحراف صفري ضئيل تحت تسارع الصدمة العالي؛ نطاق تردد واسع.
العيوب : حساسية منخفضة، تأثيرات كبيرة لدرجة الحرارة.
التطبيقات : يتم دمجها في دوائر تناظرية ورقمية متنوعة، وتستخدم على نطاق واسع في قياس الاهتزاز والصدمات، ودراسات الرفرفة، وما إلى ذلك، مثل اختبارات تصادم السيارات، ومعدات الاختبار، ومراقبة الاهتزاز.
مقياس التسارع الاستقرائي
قياس التسارع الاستقرائي:
المبدأ: بناءً على الحث الكهرومغناطيسي، تتحرك كتلة المستشعر داخل ملف، مما يؤدي إلى تغيير الحث الذاتي أو الحث المتبادل للملف، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى تغيير في الجهد أو التيار بواسطة دائرة القياس، مما يشير إلى التغيرات في التسارع.
المزايا : بنية بسيطة، تشغيل موثوق، دقة قياس عالية، نقطة صفر مستقرة، طاقة خرج عالية نسبياً.
العيوب : الحساسية والخطية ونطاق القياس مترابطة؛ فدقة المستشعر مرتبطة بنطاق القياس. يؤدي نطاق القياس الواسع إلى دقة أقل، والعكس صحيح؛ ويتطلب استقرارًا عاليًا لتردد وسعة الإثارة؛ كما أن استجابة تردد المستشعر نفسه منخفضة، مما يجعله غير مناسب للقياسات الديناميكية عالية السرعة.
مقياس تسارع مؤازر
مقياس تسارع مؤازر:
المبدأ: يتكون نظام اهتزاز المستشعر من نظام "mk"، مشابه لمقياس التسارع القياسي، ولكنه مزود بملف كهرومغناطيسي متصل بكتلة. عند تطبيق تسارع على القاعدة، تنحرف الكتلة عن موضع التوازن. يتم رصد هذا الانحراف بواسطة مستشعر إزاحة، ثم تضخيمه بواسطة مضخم مؤازر، وتحويله إلى تيار كهربائي. يمر هذا التيار عبر الملف الكهرومغناطيسي في مجال مغناطيسي دائم، مولدًا قوة استعادة تحاول إعادة الكتلة إلى موضع توازنها الأصلي، وذلك في حلقة مغلقة.
المزايا : نظام اختبار ذو حلقة مغلقة يتميز بأداء ديناميكي ممتاز، ونطاق ديناميكي واسع، وخطية جيدة. تعمل آلية التغذية الراجعة على تعزيز مقاومة التداخل، وتحسين دقة القياس، وتوسيع نطاق القياس. تُستخدم تقنية مقياس التسارع المؤازر على نطاق واسع في أنظمة الملاحة والتوجيه بالقصور الذاتي، بالإضافة إلى قياس ومعايرة الاهتزازات عالية الدقة.
العيوب : التكلفة العالية.
المؤشرات الفنية
تنقسم مؤشرات التشغيل الأساسية لأجهزة الاستشعار إلى استجابة فعالة واستجابة زائفة .
الاستجابة الفعالة : هي استجابة المستشعر في اتجاه المحور الحساس نتيجة للاهتزاز الميكانيكي أو الصدمة. وتُعد هذه الاستجابة ضرورية لقياس البيانات بدقة.
الاستجابة الزائفة : هي استجابة المستشعر الناتجة عن عوامل فيزيائية أخرى موجودة أثناء قياس الاهتزازات الميكانيكية أو الصدمات. وتتداخل هذه الاستجابة مع القياس الصحيح وهي غير مرغوب فيها.
مؤشرات الاستجابة الفنية الرئيسية الفعالة : الحساسية، استجابة السعة والتردد، واستجابة الطور والتردد؛ اللاخطية.
المؤشرات الفنية الرئيسية للاستجابة الزائفة : الاستجابة لدرجة الحرارة، والحساسية لدرجة الحرارة العابرة، والحساسية العرضية، والحساسية للحركة الدورانية، والحساسية لإجهاد القاعدة، والحساسية المغناطيسية، والحساسية لعزم الدوران التركيبي، والاستجابة للبيئات الخاصة.
اختيار المستشعر
ينصب التركيز الأساسي على المؤشرات التالية:
- نوع المستشعر
- يتراوح
- حساسية
- عرض نطاق استجابة التردد
- وزن
