شتاب سنج

شناخت شتاب سنج و آموزش کار با آن -آموزش کوادروتور{جلسه بیست و دوم}

شتاب سنج

شتاب سنج چيست؟

شتاب سنج، يك وسيله الكترومكانيكي است كه شتاب و نيروهاي بوجود آورنده آن را اندازه می گیرد. برای شناخت یک سنسور شتاب سنج ابتدا باید شتاب را بهتر بشناسیم. واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه(m/s^2) است.شتاب ناشی از جاذبه کروه زمین را با g نشان می دهند که معادل 9.8m/s^2 است. یعنی 1g = 9.8m/s^2 است. این شتاب شتابی است که کره زمین به اجسام می دهد.

شتاب هایی که شتاب سنج اندازه گیری می کند بر دو نوع است:

1- شتاب جاذبه

2- شتاب هایی که جسم بواسطه سرعتش می گیرد(شتاب دینامیکی)

شتاب صفر در تمامی جهات

برای همه ما شرایط بی وزنی درون یک آسانسور هنگامی که با شتابی برابر شتاب جاذبه کره زمین به سمت بالا حرکت می کند اتفاق افتاده است.

شتاب سنج چيست؟

در شکل زیر یک توپ در شرایط بی وزنی قرار گرفته است و توپ درون مکعب شناور است. یعنی جایی که هیچ کدام از دو شتاب بالا وجود ندارد. می توانید جایی در خارج از جو کره زمین( شتاب جاذبه صفر) و در حالت سکون(شتاب دینامیکی صفر) تصور کنید. در شکل زیر جهت Y+ را برداشته ایم تا درون مکعب براحتی مشاهده شود.

شرايط بي وزني شتاب سنجشتاب در جهت X

حال فرض کنید این جعبه مکعبی را با شتابی برابر 1g+ در جهت X+ که به حرکت در آوریم و این شتاب باعث می شود توپ درون مکعب در خلاف جهت حرکت مکعب با شتاب 1g- در جهت X- به حرکت درآید.

نيروي اينرسي در شتاب سنج كوادكوپترنکته: حرکت توپ درون مکعب به وسیله حرکت دادن مکعب باعث بوجود آمدن نیروی خیالی اینرسی است.

نکته2: شتاب سنج ها به طور غیرمستقیم با استفاده از نیروی وارد شده به دیواره هایشان، شتاب را اندازه می گیرند. یعنی شتاب سنج ها با داشتن مقدار نیروی ایجاد شده و جرم توپ، شتاب جسم در حال حرکت را طبق فرمول نیوتن اندازه گیری می کنند. درون شتاب سنج هایی که دارای چنین دیواره های هستند موادی از جنس پیزوالکتریک قرار می دهند و بسته به میزان ضربه ای که به دیواره وارد می شود یک ولتاژ متناسب با آن را تولید می کند. در انواع دیگر بجای دیواره ارتجاعی فوق معمولا یک فنر است که مشابه همان فنر درون جایروی MEMS نشان داده شده در جلسه قبل می باشد.

فرمول نیوتن

  • جرم جسم *شتاب = نیرو

    از فرمول بالا مشخص است که با داشتن مقدار نیرو و جرم جسم می توان شتاب را اندازه گیری نمود و این اساس کار شتاب سنج هاست.

شتاب جاذبه کره زمین

شتاب سنج حالا همین شکلل بالا رو در نظر بگیرید و جعبه مکعبی رو بچرخونید. تا اینجا ما فقط شتاب در یک جهت داشتیم. یعنی اینکه شتاب سنج های ما یک محوره هستند. در شکل زیر شتاب در دو جهت داریم. در این شکل ما فقط جعبه را می چرخانیم تا دو نوع شتاب داشته باشیم.

اندازه گيري شتاب توسط شتاب سنج

نکته مهم: شکل فوق در حقیقت چرخاندن شکل قبلی به سمت راست می باشد. این بدان معنی است که در شتاب سنج ها یک دستگاه مختصات ثابت(شکل قبلی) داریم و یک دستگاه مختصات چرخان(شکل فوق) داریم که نسبت به اولی دارای چرخش و حرکت است.

دو شکل فوق را به صورت برداری رسم می کنیم:

نيروها در شتاب سنجدر این شکل بردار R همان نیروی است که در شکل مربوط به شتاب در شکل 6 شده است. دستگاه مختصات رنگی شکل مربوط به شکل 5 می باشد و نیروهای تجزیه شده روی آن مربوط به شکل6 است. در این شکل تمامی زوایا 45 درجه می باشد و کسینوس و سینوس 45 درجه هم 0.71 می باشد که در شکل6 نشان داده شده است.

Rx, Ry, Rz تصویرهای بردار R بر روی محورهای X,Y,Z است. دقت کنید که در این شکل با فرض اینکه جرم جسم 1کیلوگرم باشد نیروی جاذبه ایجاد شده در اثر شتاب جاذبه 1g است پس داریم:

 

اعداد فوق در انتها در g ضرب می شوند که نتیجه نهایی آن در شکل 6 نوشته شده است.

تا اینجای کار ما فقط نحوه کار شتاب سنج ها رو شرح دادیم. پس از اینکه این داده ها را دریافت کردیم شتاب سنج به دو طریق آنالوگ و دیجیتال ارسال کند در صورتی که شتاب سنج داده ها را به صورت دیجیتال ارسال کند این داده به صورت اعداد صفر و یک به صورت سری از طریق رابط های I2C , SPI or USART ارسال می شوند ولی در صورتی که داده ها آنالوگ باشند به صورت یک ولتاژ ارسال می شوند و سپس با استفاده واحدی بنام ADC در درون میکروکنترلر آنها را به دیجیتال تبدیل می کنند.مقادير تجزيه شده بردار شتاب سنجاز مزایای سنسور شتاب سنج دقت بالا در جلوگیری از ورود نویز مخصوصا در نواحی با فرکانس های نزدیک به صفرمی باشد. از بزرگترین معایب سنسور شتاب سنج محدودیت کار در فرکانس های بالا می باشد.

برای دریافت آخرین مطالب سایت  و همچنین مطالب منحصر به فرد دیگر که در سایت منتشر نمی شوند میتوانید در کانال تلگرام ما عضو شوید و یا در اینستاگرام ما را فالوو کنید:

 

 

22 نظر

  • محسن

    سلام ممنون از آموزش عالی تون ما همچنان منتظر مباحث ترکیب ژیروسکوب و شتاب سنج هستیم؟آقای قاسمی عزیز کی مطالب در این مورد میگذارید؟ مردیم از کنجکاوی!!!

    • قاسم قاسمی

      سلام و عرض ادب
      واقعيتش درخواست هاي دوستان زياده و ما سعي كرديم با برنامه ريزي يكي يكي جلو بريم. سعي مي كنيم مباحث ژيروسكوپ و شتاب سنج رو جلوتر بندازيم ولي در حال حاضر نمي توانيم زمان تعيين كنيم. پيشاپيش از صبر و حوصله شما و تمامي دوستان عزيزمان سپاسگزارم.
      موفق باشيد

  • امید روزبه

    با سلام
    بسیار عالی و مفید .
    متشکر

  • نوشتن نظر

    نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    Optionally add an image (JPEG only)