حسگر شتاب­سنج

  شتاب­سنج­ها انواع متنوعی دارند و به منظور کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می­گیرند. در هر کاربرد خاص بایستی شتاب­سنج متناسب با آن کار اختیار گردد. در یک تقسیم­بندی کاربردی، شتاب­سنج­ها برای اندازه­گیری حرکت [1] ، اندازه­گیری ارتعاش فرکانس پایین [2] ، اندازه­گیری ارتعاش فرکانس بالا [3] و اندازه­گیری ضربه [4] مورد استفاده قرار می­گیرند ] 1 [ .

  اندازه­گیری حرکت برای کاربردهایی چون اندازه­گیری سرعت حرکت دست یک ربات یا حرکت آسانسور است که در آن سرعت و یا تغییرمکان یک جسم صلب اهمیت دارد. برای انتخاب شتاب­سنج در چنین کاربردهایی باید به ویژگی­هایی چون پاسخ ثابت [5] ، حساسیت [6] ، دقت [7] (نسبت سیگنال به نویز) و جابجایی مبنای صفر در اثر تغییر حرارت توجه نمود. اندازه­گیری ارتعاش فرکانس پایین برای کاربردهایی چون تحلیل مودال و وضعیت­سنجی ساختمان­ها و پل­ها می­باشد که جهت انتخاب صحیح شتاب­سنج باید به پارامترهایی چون پاسخ فرکانسی [8] پایین، حساسیت فشار پایه [9] ، حساسیت ناشی از تغییر حرارت گذرا و وجود یا عدم وجود فیلتر پایین­گذر داخلی یا خارجی قبل از ورودی تقویت­کننده [10] توجه نمود. اندازه­گیری ارتعاش فرکانس بالا برای کاربردهایی چون تحلیل نویز چرخ­دنده و وضعیت­سنجی توربین یا ماشین­های چرخنده با سرعت بالا می­باشد که جهت انتخاب درست شتاب­سنج باید به پارامترهایی چون فرکانس تشدید [11] ، روش نصب و نحوه کالیبراسیون شتاب­سنج توجه نمود. اندازه­گیری ضربه برای کاربردهایی چون تست تصادف اتومبیل و تست افتادن است که در آن حداکثر شتاب تا مقادیر g 10000 نیز ممکن است برسد. در این محدوده پاسخ سازه عموما غیرخطی می­باشد. برای انتخاب شتاب­سنج در چنین کاربردهایی باید به ویژگی­هایی چون جابجایی صفر [12] ، پاسخ ثابت، قابلیت بقا [13] ، محدوده­ی فرکانسی و فیلتر پایین­گذر داخلی یا خارجی قبل از ورودی تقویت­کننده توجه نمود. کاربرد اصلی شتاب­سنج در آزمایش مودال پل­ها، اندازه­گیری ارتعاش در فرکانس­های پایین می­باشد و داشتن خصوصیات لازم برای اندازه­گیری ضربه و حرکت در درجه­ی دوم اهمیت قرار دارد. همچنین بدلیل کوتاه بودن زمان آزمایش، اثرات حرارتی بر شتاب­سنج قابل توجه نمی­باشد. بنابراین در مجموع توجه به پارامترهایی چون محدوده­ی فرکانسی، پاسخ ثابت، حساسیت و دقت از اهمیت بالاتری برخوردار است.

  شتاب­ به کمک جرم- فنر- میراگر (شکل 1) و یا پیزوالکتریک قابل اندازه­گیری است ] 2 [ . در سنجش شتاب بکمک جرم-فنر-میراگر، شتاب تبدیل به جابجایی یک جرم می­شود که حرکت آن توسط یک فنر و میراگر محدود می­شود و این جابجایی بکمک یک سنسور جابجایی اندازه­گیری می­گردد. اندازه­گیری این جابجایی توسط روش­های مختلف الکتریکی همچون پتانسیومتر، کرنش­سنج و تغییرمکان­سنج قابل انجام است. در سنجش شتاب بکمک پیزوالکتریک، از این خاصیت مواد پیزوالکتریک استفاده می­شود که در اثر اعمال نیرو به آن جابجایی ایجاد می­شود و این جابجایی که رابطه­ی آن با نیرو با مدل جرم-فنر-میراگر قابل بیان است، باعث ایجاد بار الکتریکی می­شود. رابطه جابجایی ایجاد شده و بار الکتریکی تولید شده خطی می­باشد. بنابراین خروجی کریستال پیزوالکتریک یک بار الکتریکی متناسب با نیروی اعمالی است و نیازی به اندازه­گیری جابجایی نمی­باشد ] 2 [ . پیزو یک کلمه یونانی و به معنای فشردن [14] می­باشد و به موادی اطلاق می­شودکه در اثر تغییرشکل، جریان الکتریکی متناسب با آن ایجاد می­کنند.

  در سنجش شتاب بکمک جرم-فنر-میراگر، ورودی به شتاب­سنج حرکت پایه [15] و خروجی آن جابجایی نسبی جرم می­باشد ] 3 [ . هر مقدار جرم شتاب­سنج بزرگتر یا سختی کمتر باشد، شتاب­سنج حساسیت بالاتری دارد و محدوده­ی فرکانسی قابل کاربرد آن نیز پایین­تر و کمتر است.

  شکل 1- مدلسازی شتاب­سنج

  انواع شتاب­سنج­ها با عنایت به فن­آوری ساخت و به ترتیب افزایش محدوده­ی فرکانسی عبارتند از: شتاب­سنج فرمان­یار [16] ، ارتعاش­سنج [17] ، شتاب­سنج لرزه­ای [18] ، شتاب­سنج بر اساس اندازه­گیری کرنش، شتاب­سنج پیزو مقاومتی [19] و شتاب­سنج پیزوالکتریکی [20] ] 4 [ . شتاب­سنج­های ذکر شده بجز شتاب­سنج پیزوالکتریکی، شتاب را بکمک جرم-فنر-میراگر اندازه ­می­گیرند. به شتاب­سنج پیزوالکتریک، شتاب­سنج خازنی [21] نیز اطلاق می­گردد ] 5 [ .

  شتاب­سنج­های موجود در اداره کل خط راه­آهن ایران، شتاب­سنج پیزومقاومتی با فن­آوری ساخت میکروماشین می­باشد. این شتاب­سنج، شتاب را از روی تغییر مقاومت سیلیکونی قرار گرفته در پل واتسون اندازه می­گیرد. المان حسگر، جرم سیلیکونی میکروماشین­ شده­ای است که بوسیله چند تیر از قاب سیلیکونی معلق شده است. حرکت جرم معلق، در تیر خمش ایجاد می­کند و کرنش تیر را تغییر می­دهد و باعث تغییر مقاومت پیزویی قرار گرفته در تیرها می­شود. طبیعت پیزومقاومتی این شتاب­سنج، امکان اندازه­گیری شتاب ثابت (فرکانس صفر) را نیز فراهم می­آورد.

  یکی از خطاهای شتاب­سنج­ها، جابجایی صفر [22] یا جابجایی DC [23] می­باشد که ناشی از تغییر ناگهانی تراز مبنا خلال رویدادهای با شتاب بالا است. از آنجاییکه استانداردی برای این خصوصیت وجود ندارد، در مشخصات سنسورها از آن ذکری به میان آورده نمی­شود. این خصوصیت وقتی که محاسبه­ی تغییرمکان از روی شتاب موضوعیت داشته باشد، اهمیت پیدا می­کند. لذا درصورتیکه محاسبه تغییرمکان از شتاب مد نظر باشد باید خطای جابجایی صفر و همچنین جابجایی فاز [24] را در محدوده­ی فرکانسی مورد نظر، مورد توجه قرار داد. دلیل اصلی این امر وجود ارتعاشات عمود بر جهت اندازه­گیری شتاب تصور می­شود. مساله­ی جابجایی صفر در تصحیح شتاب­ زلزله حوزه­ی نزدیک [25] بصورت دیگری مطرح می­شود. از آنجاییکه در این مساله شتاب­سنج­ها در نزدیکی گسل قرار دارند و در اثر لغزش گسل خلال رویداد زلزله، تغییرمکان برگشت ناپذیر ایجاد می­شود، قبل و بعد و خلال زمین­لرزه، جابجایی صفر ایجاد می­شود. این مبحث در مهندسی زلزله تحت عنوان تصحیح خط مبنا [26] مورد بررسی قرار می­گیرد.

  در حالت کلی از سنسورهای شتاب به دو روش در وضعیت‌سنجی استفاده می‌شود. روش اول انتگرال‌گیری از شتاب و بدست آوردن تغییرمکان می‌باشد ] 6و7 [ و روش دوم استخراج فرکانس‌های ارتعاشی و شکل‌های مودی سازه می‌باشد ] 8 [ که معمولا روش دوم متداولتر است. از آنجاییکه ویژگی­های مورد نیاز سنسور شتاب برای انجام هر یک از این دو هدف متفاوت است، انجام توامان این دو عمل همواره امکانپذیر نیست.

  مرجع­ها

  [1] B&K, (2002), Selecting the Best Accelerometer for Motion Measurement, High/Low-frequency Vibration and Shock, Brüel & Kjær Magazine No 2.

  ] 2 [ رضایی، امیرحسین، ذهابی، محمدرضا، (1377)، اندازه­گیری الکترونیکی، مرکز نشر پروفسور حسابی.

  ] 3 [ کلاف، ری دبلیو. ، پن­زین، جوزف، (1377)، دینامیک سازه­ها، ترجمه محمدمهدی سعادت­پور، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان.

  [4] Avitabile, Peter, (2001), Accelerometer Measurements, Lecture Note, Mechanical Engineering, Lab I, University of Massachusetts Lowell.

  [5] Sze, S.M.(1994), Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons.

  [6] Park, Ki-Tae, Kim, Sang-Hyo, Park, Heung-Suk, Lee, Kyu-Wan, (2005), “The determination of bridge displacement using measured acceleration’, Engineering Structures.

  [7] Faulkner BC, Furman WB, Thomas TB, Wallace TM, (1996), Determination of bridge response using acceleration data’, Report No. FHWA/VA-97-R5, Virginia Department of Transportation.

  [1] motion

  [2] Low frequency vibration

  [3] High frequency vibration

  [4] shock

  [5] DC response

  [6] sensitivity

  [7] resolution

  [8] Frequency response

  [9] Base strain sensitivity

  [10] amplifier

  [11] Resonance frequency

  [12] zeroshift

  [13] servivability

  [14] squeeze

  [15] Base movement

  [16] servo

  [17] vibrometer

  [18] seismic

  [19] piezoresistive

  [20] piezoelectric

  [21] capacitive

  [22] zeroshift

  [23] DC-offset

  [24] phase shift

  [25] Near field

  [26] Baseline correction