مقياس التسارع: مبدأ العمل والأنواع والتطبيقات
مقياس التسارع هو جهاز يستشعر أنواعًا مختلفة من التسارع أو الاهتزازات. التسارع هو التغير في السرعة الناتج عن حركة الجسم.
تعريف مقايس التسارع
يمكن تعريف مقياس التسارع بأنه جهاز يستخدم لقياس قوى التسارع، والتي قد تكون ثابتة، مثل قوة الجاذبية المستمرة أو الضوء الذي رأيناه في حالة الهواتف المحمولة، ويمكن استخدامه أيضًا في حالة الديناميكيات لاستشعار الحركة أو الاهتزازات.
يمتص الاهتزازات التي يولدها الجسم ويستخدمها لمعرفة اتجاه الجسم.
يوجد نوعان من مقياس التسارع الكهروضغطي: عالي المقاومة منخفض المقاومة.
ينقسم مقياس التسارع الكهروضغطي إلى ثلاثة أنواع رئيسية: وضع الضغط، ووضع السعة، ووضع القص. تعمل جميعها على استشعار الاهتزازات. هل تساءلت يومًا عن آلية استخدام تطبيق البوصلة على هواتفنا الذكية لمعرفة اتجاه الهاتف؟
وينطبق الأمر نفسه على تطبيقات رصد النجوم، حيث تحدد هذه التطبيقات مكان رؤيتنا في السماء، وتعرض الأبراج بناءً على ذلك.
تستخدم تقنية الهواتف الذكية هذه الآلية لتحديد اتجاهها من خلال مسرِّع، وهو جهاز مصمم لاستشعار الحركة المحورية.
من المثير للاهتمام كيف يُمكن استخدام مستشعر الحركة هذا للكشف عن الزلازل، وقد تطورت الأبحاث في هذا المجال، حيث يمكن استخدام الأطراف الصناعية وأجزاء الجسم الاصطناعية الأخرى، بالإضافة إلى مقاييس التسارع.
استخدامات مقياس التسارع
لقد رأينا كيف تستخدم تطبيقات مختلفة في الأجهزة المحمولة وغيرها من الأجهزة مقياسًا، لذا يمتد تطبيقه ليشمل مجالات متعددة، سواءً الأكاديمية أو الاستهلاكية أو التجارية.
كما يمكن استخدام مقاييس التسارع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة لحماية الأقراص الصلبة من التلف.
في حال سقوط الكمبيوتر المحمول فجأةً أثناء استخدامه، سيكتشف السقوط المفاجئ ويوقف تشغيل القرص الصلب فورًا لتجنب اصطدام رؤوس القراءة بقرص القرص الصلب.
لولا هذا، لكانت الإضرابات التي استمرت يومين قد تسببت في خدوش وأضرار متعددة للقرص الصلب، مما أدى إلى تلف واسع النطاق للملفات والقراءة.
ومن الاستخدامات الأخرى مقياس التسارع الديناميكي الذي يستخدم لقياس قوة الجاذبية لتحديد زاوية ميل الجهاز بالنسبة للأرض. ومن خلال استشعار مقدار التسارع، يستطيع المستخدمون تحليل اتجاه حركة الجهاز أو كيفية عمله.
وبهذه الخصائص، يمكّن هذا المستخدم من فهم محيط الجهاز بشكل أفضل، وباستخدام هذا الجهاز الصغير، يمكننا تحديد أي حركة تتراوح بين الصعود إلى إمالة الجسم، وما إذا كان يطير أفقيًا أو بزاوية أو لأسفل.
وأفضل مثال على ذلك هو الهواتف الذكية، فعند تدويرها، تعرض ميزات بين الوضعين الرأسي والأفقي، اعتمادًا على كيفية إمالة الهاتف.
تستخدم مكونات مختلفة لتكوين مقاييس التسارع، والتي يمكن شراؤها كجهاز منفصل. تتوفر شاشات عرض تناظرية ورقمية، ولكن في معظم الأجهزة التقنية، تدمج هذه المكونات في التقنية الرئيسية، ثم يُدار الوصول إليها باستخدام برنامج تحكم أو نظام تشغيل.
مع تطور العمل، تأتي حساسية هذه الأجهزة العالية، حيث صممت لقياس حتى أدنى تغير في التسارع، فكلما زادت حساسية الجهاز، كان قياس التسارع أسهل.
إقرأ أيضاً… ما هي النظرية النسبية العامة لآينشتاين؟
تطبيقات مقياس التسارع
من تطبيقات مقياس التسارع:
- يتميز بقدرته على استشعار الاهتزازات من نطاق مجهري إلى نطاق واسع. ويُستخدم حتى في معظم منشآت السلامة.
- يُستخدم أيضًا في الرياضة. ومن بين الأجهزة القابلة للارتداء التي يستخدمها الرياضيون يوميًا للتدريب والمراقبة مقاييس التسارع أو الجيروسكوبات.
- يستخدمه الأطباء للتحقق من زيادة كتلة الجسم ومراقبة حركات الجسم. كما يستخدم في الأجهزة المستخدمة لقياس معدل ضربات القلب.
- تستخدم مقاييس التسارع الكهروضغطية في المجال الصناعي.
- أكثر مقاييس التسارع شيوعًا في مجال الفضاء هي أجهزة الاستشعار الكهروميكانيكية الدقيقة (تقنية MEMS). ويعود سبب استخدام مقاييس التسارع القائمة على مستشعرات MEMS إلى قدرتها على استشعار الاهتزازات حتى على نطاق مجهري، وتوفير بيانات دقيقة على نطاق مجهري.
- يستخدم هذا المقياس حتى في الأقمار الصناعية الفضائية، نظرًا لقدرته على تحمل الضغط العالي والحرارة والاهتزاز.
- يلعب دورًا هامًا في تحليل علبة التروس، وتحليل المحامل، وضبط الدوارات، والتوازن.
- تدار الطائرات باستخدام مقياس التسارع. كما يتطلب اختبار طيران الطائرات استخدامه. للتحقق من خصائص الطيران وتأكيد تصميمه، يتوقع إجراء مراقبة دقيقة للبيانات. ولهذا الغرض، يستخدم مقياس تسارع يُسمى LCA-5080.
- كما يستخدم لأغراض السلامة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومحركات الأقراص الصلبة. وبفضل مستشعرات مقياس التسارع، لدينا وضعان أفقي وعمودي على هواتفنا. وتغير الهواتف المحمولة باستمرار وضع الشاشة إلى الوضع الأفقي أو العمودي بسبب تطبيقاته.
أنواع مقاييس التسارع
الأنواع الثلاثة المهمة لمقاييس التسارع هي: مقياس تسارع MEMS السعوي، ومقياس تسارع مقاوم الضغط، ومقياس تسارع كهرضغطي.
مقياس تسارع MEMS السعوي – MEMS هو اختصار لـ Micro-Electro-Mechanical-System (نظام كهروميكانيكي دقيق). MEMS هي تقنية تصنيع. في هذا النوع من مقاييس التسارع، يتم رصد تغيرات السعة بدلاً من تغير المقاومة. تستخدم معظم الأجهزة المحمولة مقياس تسارع MEMS هذا.
مقياس تسارع مقاوم الضغط – يقيس الاهتزازات من خلال تغيرات المقاومة. يعمل هذا المقياس كمقياس تسارع مستجيب للتيار المستمر، ويثبت كفاءته عند قياس اهتزازات ضئيلة جدًا، مثل اهتزازات الجاذبية.
مقياس التسارع الكهرضغطي – في هذا النوع تكون المستشعرات مصنوعة من بلورات أو سيراميك مثل زركونات الرصاص وتيتانات الرصاص وما إلى ذلك. يمتص هذا المستشعر الاهتزازات وينتج نفس الكمية من الإشارات الكهربائية.
إقرأ أيضاً… ما هي فروع الفيزياء؟
مبدأ عمل مقياس التسارع
يعتمد مبدأ عمل مقياس التسارع على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. عند وضع كتلة على المستشعر، الذي يشبه الزنبرك، تبدأ بالتحرك للأسفل. ولأنه يتحرك للأسفل، يبدأ بالتسارع.
يتحول هذا التسارع إلى إشارة كهربائية تستخدم لقياس التغير في موضع الجهاز. يتوفر مقياس التسارع بنوعين من الأجهزة: التناظرية والرقمية.
وعلى الرغم من بساطة مظهره، إلا أنه يتكون من عدة أجزاء مختلفة، ولكل منها وظائفها الخاصة، وتعمل بطرق متعددة.
من أشهر هذه الأجهزة: التأثير الكهرضغطي ومستشعر السعة. يمكن وصف التأثير الكهرضغطي بأنه الشكل الأكثر شيوعًا، والذي يستخدم بنية بلورية مجهرية تتحول إلى إجهاد بسبب قوى التسارع، وليس داخل هذه البلورات التي تولّد جهدًا من الإجهاد الناتج، فيترجم مقياس التسارع الجهد لتحديد سرعته واتجاهه.
في حين يستخدم مقياس التسارع السعوي لاستشعار تغيرات السعة بين البنى الدقيقة المجاورة للجهاز، فإذا حركت قوة متسارعة أحد هذه البنى، ستتغير السعة، مما يدفع مقياس التسارع إلى ترجمة هذه السعة إلى جهد لتفسيرها.
