1 1 1 1 1 میانگین امتیاز 5.00

شتاب سنج چیست و چه کاربردهایی دارد؟
حساسیت هاى پرفراز و نشیب

با تلفن همراه  تان سخت مشغول یک بازی رانندگی هستید و با چرخش آن به دقت ماشین را در صفحه کنترل می کنید یا می خواهید کلیپی را تماشا کنید و با چرخش گوشی، آن را افقی می کنید تا فیلم بهتر دیده شود.

اینها و بسیاری دیگر، کارهای مرسومی است که بارها انجام می دهیم، اما آیا تا به حال فکر کرده اید تلفن همراه شما چگونه این کار را انجام می دهد؟ چگونه چرخش، حرکت یا تکان را حس می کند؟ پاسخ این پرسش در یک کلمه نهفته است؛ شتا بسنج. دستگاهی که زمانی تنها آن را در فضاپیماها یا هواپیماها می توانستید پیدا کنید، اما امروزه در تمام گوشی ها، تبلت ها، لپ تاپ ها و دیگر گجت های کوچک و بزرگ تعبیه شده است.

تئوری

برای این که بفهمیم یک شتاب سنج تلفن همراه چگونه عمل می کند، باید مسأله را از دید فیزیکی آن ببینیم. شاید نخستین تعریفی که از شتاب در ذهن تان شکل می گیرد، تغییرات سرعت باشد که تعریف درستی است. یعنی اگر سرعت های مختلف یک جسم را در یک فاصله زمانی حساب کنیم، می توانیم شتاب را به دست بیاوریم، اما مشکل اینجاست که گوشی شما نمی تواند برای محاسبه شتاب صبر کند . اما چگونه می توانیم با حذف زمان یا مسافت، شتاب را محاسبه کنیم؟ اینجا یکی از قوانین سه گانه نیوتن به کمک ما می آید؛ یعنی قانون دوم. این قانون فرمول ساده ای دارد که عبارت است از نیرو = جرم × شتاب یا شتاب = نیرو / جرم .

به عبارت دیگر، شتاب را می توان نیروی مورد نیاز برای جابجا کردن واحد جرم در نظر گرفت. بگذارید به قضیه ساده تر نگاه کنیم، شما روی صندلی عقب یک خودرو نشسته اید و ماشین ناگهان راه می افتد. حس می کنید به پشتی صندلی فشار داده می شوید، چرا؟ به دلیل شتاب خودرو هنگام حرکت و به هر میزان که این فشار به صندلی بیشتر باشد، شما در ذهن تان تخمین می زنید که خودرو شتاب بیشتری دارد. این قاعده، مبنای عملکرد شتابسنج ها به شمار می آید.

انواع

انواع مختلفی از شتاب سنج ها وجود دارد که با وجود تفاوت در ساختار، از همان تئوری توضیح داده شده برای سنجش شتاب استفاده می کنند. شتاب سنج های مکانیکی که ساده ترین نوع شتاب سنج ها به شمار می آیند، چیزی شبیه همان مدل صندلی عقب و مسافر است، اما در ابعاد کوچک تر . این شتاب سنج به صورت جعبه ای است که در داخل آن، جسمی با جرم محسوس قرار دارد. این جسم از کنار به یک فنر متصل شده و می تواند آزادانه حرکت کند. هنگامی که به این دستگاه شتابی وارد شود، جعبه بیرونی به سرعت حرکت می کند، اما جسم داخلی عقب می ماند و باعث کشیده شدن فنر می شود. با توجه به آن که میزان کشیدگی فنر متناسب با نیروی وارد به آن است، با اندازه گیری آن (مثلا با اتصال یک مداد به جسم داخلی) می توان شتاب را محاسبه کرد. دستگاه های زلزله نگار تا حد زیادی به همین صورت عمل می کنند.

نوع دیگر شتاب سنج ها، به جای محاسبه نیرو به کمک مداد و کاغذ، از جریان الکتریکی برای این محاسبه بهره می گیرد. در شتاب دهنده های خازنی، با وارد شدن شتاب، فشار جسم داخلی سبب نزدیک شدن یک صفحه خازن به صفحه دیگر که ثابت است، می شود. این نزدیکی باعث تغییر در ظرفیت خازن می شود که سپس با محاسبه میزان این تغییر می توان به میزان شتاب وارد شده به دستگاه پی برد.

شتاب سنج های پیزوالکتریکی نیز عملکردی مشابه دارند؛ با این تفاوت که در آنها از کریستال های پیزوالکتریک مثل کوارتز به جای خازن استفاده می شود. این کریستال ها با دریافت نیرو، جریان الکتریکی تولید می کنند که با محاسبه میزان آن، می توان میزان نیروی وارده و در نتیجه شتاب را محاسبه کرد.

نوع سوم، شتاب سنج های با اثر هال است که شتاب را به وسیله محاسبه تغییرات جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط حرکت یک آهنربا تخمین می زند.

تلفن همراه

حتما با خود فکر می کنید این شتاب سنج ها که داخل یک گوشی جا نمی شوند. این حرف تا حدی درست است؛ یک شتاب سنج مکانیکی با جرم و فنرش را نمی توان داخل یک گوشی گنجاند، اما قضیه در مورد شتاب سنج های خازنی کمی متفاوت است.

شتا بسنج هایی که در داخل یک تلفن همراه قرار دارند، عملا از نوع شتا بسنج های خازنی است که بر پایه تکنولوژی MEMS یا Micro Electro Mechanical System ساخته شده اند. با وجود اندازه میکرومتری این شتا بسنج ها، در داخل آنها جسم متحرکی قرار دارد که جزء اصلی آن به شمار می رود. این جسم که به آن جرم لرزه ای (Seismic Mass) نیز گفته می شود، لابه لای صفحات چند خازن قرار گرفته است. این خازن ها نیز به مدار اصلی گوشی متصل است . با حرکت دادن گوشی، جرم لرزه ای به حرکت در می آید و باعث تغییر در فاصله صفحات خازن ها و در نتیجه آن تغییر در ظرفیت آنها می شود.

این تغییر ظرفیت، تغییر در جریان الکتریکی عبوری از این تراشه را سبب می شود که بر این اساس، شتاب وارد شده به گوشی محاسبه می شود. علاوه بر این، به کمک این شتا بسنج ها و با در نظر گرفتن شتاب جاذبه، می توان زاویه قرار داشتن تلفن همراه در دست را نیز تخمین زد . نکته اعجاب آور در مورد این شتابسنج ها، ساخته شدن آن روی یک میکروچیپ است. به این صورت که اجزای مختلف آن در لایه های متفاوت و از انواع مختلف سیلیکون تولید شده و روی یک تراشه قرار می گیرند.

 

کاربردها

هنگامی که صحبت از کاربرد های شتاب سنج در دستگاه های الکترونیک می شود، اغلب کاربران با کاربرد هایی مثل بازی های حرکتی روی تلفن های همراه و کنسول های بازی مثل نینتندو (Wii ) یا تشخیص جهت صفحه گوشی آشنا هستند، اما این شتاب سنج ها کاربرد های جالب دیگری نیز دارد :

قدم شمار : بسیاری از گوشی ها از شتاب سنج در سیستم قدم شمار (pedometer) بهره می گیرند.

تثبیت تصویر : برخی دوربین های دیجیتال و همچنین گوشی ها، اثر تکان خوردن دست هنگام گرفتن عکس را به کمک شتاب سنج از تصویر حذف می کنند تا تصویر دقیقی ذخیره شود.

جلوگیری از آسیب به هارد دیسک : شاید فکر نمی کردید لپ تاپ شما هم در داخل خود دارای شتاب سنج باشد، اما امروزه بسیاری از لپ تاپ ها از شتاب سنج ها برای تشخیص سقوط استفاده می کنند. وقتی این سیستم تشخیص دهد لپ تاپ در حال سقوط است (احتمالا از دست یا میز افتاده است) به سرعت هد هارددیسک را قفل کرده تا از آسیب به صفحات آن و در نتیجه از بین رفتن داده ها جلوگیری کند.