آشنایی با نحوه کارکرد شتاب سنج ها

بـا تلفن همراهتان سـخت مشـغول یک بازی رانندگی هسـتید و با چرخش آن به دقت ماشین را در صفحـه کنتـرل میکنیـد یـا میخواهیـد کلیپی را تماشـا کنید و با چرخش گوشـی، آن را افقـی می کنید تا فیلـم بهتر دیده شـود. این ها و بسـیاری دیگر، کارهای مرسـومی است که بارها انجـام میدهیم، امـا آیا تا به حال فکـر کرده اید تلفن همراه شما چگونه این کار را انجام میدهد؟ چگونه چرخش، حرکت یا تکان را حس میکند؟ پاسـخ این پرسـش در یـک کلمه نهفته اسـت؛ شتابسـنج. دسـتگاهی که زمانی تنها آن را در فضاپیماها یا هواپیماها می توانسـتید پیدا کنید، اما امروزه در تمام گوشی ها، تبلت ها، لپتاپ ها و دیگر گجت های کوچک و بزرگ تعبیه شده است.

 

کارکرد شتاب سنج ها : تئوری

بــرای اینکه بفهمیم یک شتابســنج تلفن همراه چگونه عمل میکند، باید مســأله را از دید فیزیکی آن ببینیم. شاید نخســتین تعریفی که از شتاب در ذهنتان شکل میگیرد، 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 نمیتواند برای محاســبه شتاب صبر کند.

اما چگونه می توانیم با حذف زمان یا مســافت، شتاب را محاسبه کنیم؟ اینجا یکی از قوانین سه گانه نیوتن به کمک ما می آید؛ یعنی قانون دوم. این قانون فرمول ســادهای دارد که عبارت اســت از نیرو = جرم × شتاب یا شــتاب = نیرو / جرم. به عبارت دیگر، شتاب را میتوان نیروی مورد نیاز برای جا به جا 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 میکنید به پشتی صندلی فشار داده میشوید، چرا؟ به دلیل شتاب خــودرو هنگام حرکت و به هر میزان که این فشــار به صندلی بیشتر باشد، شما در ذهنتان تخمین می زنید که خودرو شــتاب بیشتری دارد. این قاعده، مبنای عملکرد شتاب سنجها به شمار می آید.

انواع شتاب سنج ها به این با توجه به کارایی و قیمت در جدول بالا رسم شده است
انواع شتاب سنج ها به این با توجه به کارایی و قیمت در جدول بالا رسم شده است

کارکرد شتاب سنج ها : انواع

انــواع مختلفی از شتاب ســنجها وجود دارد که با وجود تفاوت در ساختار، از همان تئوری توضیح داده شده برای سنجش شتاب استفاده میکنند. شتاب ســنجهای مکانیکــی که ســاده ترین نوع شتاب ســنجها به شــمار می آیند، چیزی شبیه همان مــدل صندلی عقب و مســافر اســت، امــا در ابعاد کوچکتر. این شتابســنج به صورت جعبه ای است که در داخل آن، جسمی با جرم محسوس قرار دارد. این جســم از کنار به یک فنر متصل شده و میتواند آزادانه حرکت کند. هنگامی که به این دستگاه شتابی وارد شــود، جعبه بیرونی به سرعت حرکت میکند، اما جســم داخلی عقب میماند و باعث کشیده شدن فنر میشــود. با توجه به آنکه میزان کشــیدگی فنر متناسب با نیروی وارد به آن است، با اندازه گیری آن )مثــلا با اتصال یک مداد به جســم داخلی) می توان شــتاب را محاسبه کرد. دستگاه های زلزله نگار تا حد زیادی به همین صورت عمل میکنند.

نوع دیگر شتاب ســنجها، به جای محاســبه نیرو بــه کمک مــداد و کاغذ، از جریــان الکتریکی برای ایــن محاســبه بهــره میگیــرد. در شــتاب دهنده های خازنــی، بــا وارد شدن شتاب، فشار جسم داخلی سبب نزدیک شــدن یک صفحه خازن به صفحه دیگر که ثابت است، میشود.

ایــن نزدیکی باعث تغییر در ظرفیت خازن میشــود که سپس با محاسبه میزان این تغییــر میتوان به میزان شتاب وارد شده به دستگاه پی برد. شتاب ســنجهای پیزوالکتریکــی نیــز عملکردی مشــابه دارند؛ با این تفاوت که در آنها از کریســتالهای پیزوالکتریــک مثــل کوارتــز بــه جای خازن اســتفاده میشــود. این کریســتال ها با دریافت نیرو، جریان الکتریکــی تولید میکنند که با محاســبه میزان آن، میتوان میــزان نیروی وارده و در نتیجه شــتاب را محاسبه کرد.

نوع ســوم، شتاب سنجهای با اثر هال اســت که شــتاب را به وســیله محاسبه تغییــرات جریــان الکتریکــی در میدان مغناطیســی ایجاد شــده توسط حرکت یک آهنربا تخمین میزند.

شتاب سنج ها در گوشی های تلفن هوشمند به تشخیص جهت گوشی برای کابری بهتر کمک می کنند
شتاب سنج ها در گوشی های تلفن هوشمند به تشخیص جهت گوشی برای کابری بهتر کمک می کنند

کارکرد شتاب سنج ها : تلفن همراه

حتمــا با خــود فکــر میکنیــد این شتاب ســنجها که داخل یک گوشــی جا نمیشــوند. این حرف تا حدی درســت است؛ یک شتابســنج مکانیکی با جرم و فنرش را نمیتوان داخل یک گوشــی گنجاند، اما قضیه در مورد شتاب سنجهای خازنی کمی متفاوت است. شتاب ســنجهایی کــه در داخــل یــک تلفــن همــراه قــرار دارنــد، عمــلا از نوع شتاب ســنجهای خازنــی اســت که بر پایــه تکنولــوژی MEMS یا Micro Electro Mechanical System ســاخته شــدهاند.

با وجود انــدازه میکرومتــری این شتاب ســنجها، در داخل آنها جسم متحرکی قرار دارد که جزء اصلی آن به شمار میرود. این جسم که به آن جرم لرزهای ( Seismic Mass) نیز گفته میشــود، لابــه لای صفحات چند خازن قرار گرفته اســت. این خازنهــا نیز به مدار اصلی گوشــی متصل اســت. با حرکت دادن گوشی، جرم لرزهای به حرکت در می آید و باعــث تغییر در فاصله صفحات خازنها و در نتیجه آن تغییر در ظرفیت آنها میشود.

این تغییر ظرفیت، تغییر در جریان الکتریکی عبوری از این تراشه را سبب میشود که بر این اساس، شتاب وارد شده به گوشی محاسبه میشود. علاوه بر این، به کمک این شتاب سنجها و با در نظر گرفتن شتاب جاذبه، می توان زاویه قرار داشــتن تلفن همراه در دست را نیز تخمین زد. نکته اعجاب آور در مورد این شتاب سنجها، ساخته شــدن آن روی یک میکروچیپ است. به این صورت که اجزای مختلف آن در لایه های متفــاوت و از انــواع مختلــف ســیلیکون تولیــد شــده و روی یــک تراشــه قرار میگیرند.

کارکرد شتاب سنج ها : کاربردها

هنگامی که صحبت از کاربردهای شتابسنج در دســتگاههای الکترونیــک میشــود، اغلــب کاربران بــا کاربردهایی مثــل بازیهای حرکتی (روی تلفنهای همراه و کنســول های بازی مثل نینتندو Wii ) یا تشــخیص جهت صفحه گوشی آشنا هســتند، اما این شتاب ســنجها کاربردهای جالب دیگری نیز دارد:

قدم شمار: بسیاری از گوشیها از شتابسنج در سیســتم قدمشــمار( pedometer) بهــره میگیرند.

تثبیت تصویر: برخی دوربینهای دیجیتال و همچنیــن گوشــیها، اثر تکان خوردن دســت هنــگام گرفتن عکس را به کمک شتابســنج از تصویر حــذف میکنند تا تصویــر دقیقی ذخیره شود.

جلوگیـری از آسـیب بـه هارد دیسک: شــاید فکر نمیکردید لپتاپ شــما هم در داخل خود دارای شتابسنج باشد، اما امروزه بسیاری از لپتاپها از شتاب ســنجها برای تشخیص سقوط استفاده می کنند. وقتی این سیستم تشخیص دهد لپتاپ در حال ســقوط اســت (احتمالا از دست یا میــز افتاده اســت( به ســرعت هد هارددیســک را قفل کــرده تا از آســیب به صفحات آن و در نتیجــه از بین رفتن داده ها جلوگیری کند.

پاسخ دهید

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

error: امکان کپی برداری از متن وجود ندارد