مقياس التسارع

يُقدّم هذا البحث تحليلاً معمقاً لأساليب اختبار الانحياز (انحياز الصفر) ومعامل المقياس لمقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز، بما في ذلك تقنيات متخصصة مثل اختبار الدوران بأربع نقاط واختبار النقطتين، بالإضافة إلى صيغة حساب حساسية درجة الحرارة. وهذا ينطبق على التطبيقات عالية الدقة مثل الملاحة بالقصور الذاتي والمركبات الفضائية.يُحدد الانحياز (انحياز الصفر) ومعامل المقياس في مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز دقة القياس واستقرارها على المدى الطويل بشكل مباشر، لا سيما في تطبيقات تتطلب دقة عالية مثل الملاحة بالقصور الذاتي والتحكم في الوضع. ولذلك، فهما مؤشران رئيسيان لتقييم أداء مقاييس التسارع المصنوعة من الكوارتز. تكمن الأهمية الأساسية للانحياز (انحياز الصفر) في خطأ النظام المتأصل في مقياس التسارع، والذي يؤدي مباشرةً إلى الانحراف الأساسي لجميع نتائج القياس. على سبيل المثال، إذا كان انحياز الصفر 1 ملليغرام، فإن القيمة المقاسة ستضيف هذا الخطأ بغض النظر عن التسارع الفعلي. كما ينحرف انحياز الصفر مع عوامل مثل الوقت ودرجة الحرارة والاهتزاز (استقرار انحياز الصفر). في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، يتضخم انحراف الصفر باستمرار من خلال عمليات التكامل، مما يؤدي إلى أخطاء تراكمية في الموضع والسرعة. يمكن أن تتسبب خصائص درجة حرارة مواد الكوارتز أيضًا في تغير انحياز الصفر مع درجة الحرارة (معامل درجة حرارة انحياز الصفر)، لذلك هناك حاجة إلى خوارزميات تعويض درجة الحرارة لكبح هذا التأثير في التطبيقات عالية الدقة. يشير عامل المقياس إلى العلاقة التناسبية بين إشارة خرج مقياس التسارع والتسارع المدخل الفعلي. يمكن أن يؤدي الخطأ في عامل المقياس مباشرةً إلى تشويه تناسبي لنتائج القياس. يؤثر استقرار عامل المقياس بشكل مباشر على أداء النظام في بيئات ذات نطاق ديناميكي عالٍ أو درجات حرارة متغيرة. في عملية تكامل التسارع للملاحة بالقصور الذاتي، سيتم تكامل خطأ عامل المقياس مرتين، مما يزيد من تضخيم خطأ الموضع. لذا، يُعدّ كلٌّ من الانحياز ومعامل المقياس مؤشرين رئيسيين لأداء مقاييس التسارع المرنة المصنوعة من الكوارتز، وذلك لكونهما مصدرين أساسيين للخطأ وقيودًا رئيسية على الاستقرار طويل الأمد. في تطبيقات الأنظمة، يُحدد أداء هذين العاملين بشكل مباشر قدرة مقياس التسارع على تلبية متطلبات الدقة العالية والموثوقية العالية، لا سيما في تطبيقات مثل القيادة بدون طيار، والمركبات الفضائية، والملاحة البحرية، وغيرها، حيث لا مجال للخطأ. الاختبار التحيزيمكن إجراء الاختبار بطريقتين: اختبار الدوران بأربع نقاط (عند الزوايا 0°، 90°، 180°، 270°) أو اختبار النقطتين (عند الزوايا 90°، 270°). أما اختبار عامل المقياس فيمكن إجراؤه بثلاث طرق: اختبار التدحرج بأربع نقاط (مواضع 0°، 90°، 180°، 270°)، واختبار النقطتين (مواضع 90°، 270°)، واختبار الاهتزاز. وباستخدام طريقة اختبار التدحرج بأربع نقاط كمثال، تشرح هذه المقالة كيفية الحصول على الانحياز ومعامل المقياس لمستشعر التسارع.  1.طرق اختبار عوامل التحيز والقياس: أ)قم بتثبيت مقياس التسارع على منصة اختبار محددة (رأس فهرسة متعدد الأسنان).ب)ابدأ تشغيل منصة الاختبارج)قم بتدوير منصة الاختبار في اتجاه عقارب الساعة إلى وضع 0 درجة، ثم قم بتثبيتها، وسجل مخرجات مجموعات متعددة من المنتجات المختبرة وفقًا لتردد أخذ العينات المحدد. خذ المتوسط ​​الحسابي كنتيجة للقياس؛د)قم بتدوير منصة الاختبار في اتجاه عقارب الساعة إلى وضع 90 درجة، ثم قم بتثبيتها، وسجل مخرجات مجموعات متعددة من المنتجات المختبرة وفقًا لتردد أخذ العينات المحدد. خذ المتوسط ​​الحسابي كنتيجة للقياس؛هـ)قم بتدوير منصة الاختبار في اتجاه عقارب الساعة إلى وضع 180 درجة، وثبّتها، وسجل مخرجات مجموعات متعددة من المنتجات المختبرة وفقًا لتردد أخذ العينات المحدد. خذ المتوسط ​​الحسابي كنتيجة للقياس؛و)قم بتدوير منصة الاختبار في اتجاه عقارب الساعة إلى وضع 270 درجة، وثبّتها، وسجل مخرجات مجموعات متعددة من المنتجات المختبرة وفقًا لتردد أخذ العينات المحدد. خذ المتوسط ​​الحسابي كنتيجة للقياس؛ز)أدر منصة الاختبار باتجاه عقارب الساعة حتى تصل إلى وضعية 360 درجة، ثم عكس اتجاه عقارب الساعة لضبط زوايا الدوران عند 270 درجة، و180 درجة، و90 درجة، و0 درجة. بعد استقرار الوضع، سجّل مخرجات عدة مجموعات من المنتجات المختبرة وفقًا لتردد أخذ العينات المحدد، واحسب المتوسط ​​الحسابي كنتيجة للقياس.ح)احسب الانحياز ومعامل القياسمن المنتج المختبر باستخدام الصيغة التالية (1) و (2).K0 = -------------------------------------- (1) K1 =-------------------------------------- (2) أين:K0 -------التحيزK1 -------عامل المقياس        -------المتوسط ​​الكلي للقراءات الأمامية والخلفية عند الوضع 0°        -----متوسط ​​القراءة الكلي للدوران الأمامي والخلفي عند وضع 90 درجة        --- متوسط ​​القراءة الإجمالية للدوران الأمامي والخلفي عند وضع 180 درجة        --- المتوسط ​​الإجمالي للقراءات للدوران الأمامي والخلفي عند وضع 270 درجة 2.طريقة اختبار حساسية درجة حرارة الانحياز وحساسية درجة حرارة عامل المقياسأ)ابدأ تشغيل منصة الاختبارب)احسب عوامل الانحياز والقياس عند كل نقطة درجة حرارة باستخدام الصيغتين (1) والصيغتين (2) عند درجة حرارة الغرفة، ودرجة حرارة التشغيل العليا المحددة بواسطة مقياس التسارع، ودرجة الحرارة الدنيا المحددة بواسطة مقياس التسارع.ج)احسبحساسية درجة الحرارةباستخدام الصيغة التالية (3) و (4) لمقياس التسارع:  ---------------------(3)أين:---- حساسية درجة حرارة الانحيازانحياز درجة الحرارة العليا للمستشعرانحياز مستشعر درجة حرارة الغرفة-----انحياز الحد الأدنى لدرجة حرارة المستشعر------ درجة الحرارة القصوىدرجة حرارة الغرفة------- درجة الحرارة الدنيا   ---------------------(4)أين:حساسية عامل المقياس لدرجة الحرارة------عامل المقياس----عامل قياس درجة الحرارة القصوى للمستشعرمعامل قياس درجة حرارة الغرفة للمستشعر-----عامل قياس الحد الأدنى لدرجة حرارة المستشعر------ درجة الحرارة القصوىدرجة حرارة الغرفة------- درجة الحرارة الدنياAC-1مقياس تسارع مرن من الكوارتز AC-4مقياس تسارع مرن من الكوارتز 

يعتمد اختيار مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز أو مقياس التسارع المصنوع بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) على متطلبات التطبيق المحددة. إليك بعض العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها: 1. مقياس تسارع مرن من الكوارتزالمزايا:1) الدقة العالية والاستقرار: تشتهر مقاييس التسارع الكوارتزية بدقتها العالية واستقرارها على المدى الطويل، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قياسات دقيقة على مدى فترات طويلة.2) نطاق ديناميكي واسع: يمكنها قياس نطاق واسع من التسارعات، من المنخفضة جدًا إلى العالية جدًا.3) المتانة: فهي متينة بشكل عام ويمكنها العمل في بيئات قاسية، بما في ذلك درجات الحرارة العالية وظروف الاهتزاز العالي.4) انخفاض مستوى الضوضاء: تتميز هذه الأجهزة عادةً بمستويات ضوضاء منخفضة، وهو أمر بالغ الأهمية لإجراء قياسات حساسة. العيوب: 1) الحجم والوزن: مقاييس التسارع المصنوعة من الكوارتز تكون بشكل عام أكبر حجماً وأثقل وزناً مقارنة بمقاييس التسارع المصنوعة من MEMS.2) التكلفة: عادة ما تكون أغلى ثمناً بسبب عملية التصنيع المعقدة والمواد عالية الجودة.3) استهلاك الطاقة: تميل هذه الأجهزة إلى استهلاك المزيد من الطاقة، وهو ما قد يمثل مصدر قلق للأجهزة التي تعمل بالبطاريات. 2. مقياس تسارع MEMSالمزايا:1)      الحجم الصغير: مقاييس التسارع MEMS صغيرة وخفيفة الوزن، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي يكون فيها الحجم والوزن أمراً بالغ الأهمية، كما هو الحال في الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة المحمولة.2)      منخفضة التكلفة: عادةً ما تكون أقل تكلفة في الإنتاج، مما يجعلها فعالة من حيث التكلفة للتطبيقات ذات الحجم الكبير.3)      استهلاك منخفض للطاقة: تستهلك مقاييس التسارع MEMS طاقة أقل، وهو أمر مفيد للأجهزة التي تعمل بالبطاريات.4)      التكامل: يمكن دمجها بسهولة مع المكونات الإلكترونية الأخرى على شريحة واحدة، مما يتيح الأجهزة متعددة الوظائف. العيوب:1) دقة أقل: قد تتمتع مقاييس التسارع MEMS بدقة واستقرار أقل مقارنة بمقاييس التسارع الكوارتزية، خاصة على مدى فترات طويلة.2) نطاق ديناميكي محدود: قد لا تعمل هذه الأجهزة بشكل جيد في قياس التسارعات العالية جدًا أو المنخفضة جدًا.3) الحساسية البيئية: يمكن أن تكون أكثر حساسية للعوامل البيئية مثل درجة الحرارة والاهتزاز، مما قد يؤثر على الأداء. 3. اعتبارات التقديمØ  التطبيقات عالية الدقة: إذا كان تطبيقك يتطلب دقة عالية واستقرارًا ونطاقًا ديناميكيًا واسعًا (مثل الفضاء الجوي أو الدفاع أو المراقبة الزلزالية)، فقد يكون مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز هو الخيار الأفضل.Ø  الإلكترونيات الاستهلاكية: بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها الحجم والوزن والتكلفة واستهلاك الطاقة أمورًا بالغة الأهمية (مثل الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء)، فمن المرجح أن يكون مقياس التسارع MEMS أكثر ملاءمة. 4. مقارنة الأداءتُقدّم شركة مايكرو-ماجيك سلسلة من مقاييس التسارع الكوارتزية عالية الدقة وسلسلة من مقاييس التسارع الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). فعلى سبيل المثال، عند استخدام مقياس التسارع الكوارتزي AC-5B ومقياس التسارع الكهروميكانيكي الدقيق ACM-300-8، نورد فيما يلي بعض المقارنات النموذجية للمعايير: حدودAC-5ACM-300نطاق القياس±50 g±8 غرامدقة