ورشة عمل مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز

النقاط الرئيسيةمقياس تسارع كوارتزالمزايا: دقة عالية، استقرار، نطاق واسع، متانةالعيوب: أكبر حجماً، أغلى ثمناً، طاقة عاليةالأفضل لـ: التطبيقات الدقيقة (مثل صناعة الطيران والفضاء)مقياس تسارع MEMSالمزايا: صغير الحجم، منخفض التكلفة، منخفض استهلاك الطاقةالعيوب: دقة أقل، مدى محدودالأفضل لـ: الإلكترونيات الاستهلاكية، الأجهزة المحمولةخاتمةالكوارتز: لدقة عاليةأنظمة MEMS: لحلول فعالة من حيث التكلفة وصغيرة الحجميعتمد 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

النقاط الرئيسيةالمنتج: مقياس تسارع كوارتز Q-Flexالميزات الرئيسية:المكونات: تصميم بندول كوارتز عالي النقاء مع نظام تغذية راجعة مغلق الحلقة لقياسات التسارع الدقيقة.الوظيفة: توفر بيانات تسارع دقيقة ومستقرة، مع ضوضاء منخفضة واستقرار جيد على المدى الطويل، وهي فعالة بشكل خاص في التشغيل ذي الحلقة المغلقة.التطبيقات: مثالية للملاحة الجوية والتحكم في وضعية الطائرات، والاستكشاف الجيولوجي، والبيئات الصناعية التي تتطلب قياسات دقيقة بالقصور الذاتي.طريقة القياس: قياس استجابة التردد في الحلقة المغلقة، مما يضمن تقديرًا موثوقًا لمعامل التخميد وأداءً دقيقًا.الخلاصة: يوفر مقياس التسارع Q-Flex دقة واستقرارًا عاليين، مما يجعله ذا قيمة لتطبيقات الملاحة والتحكم والقياس الصناعي.مقياس التسارع Q-Flex هو نوع من أجهزة القياس بالقصور الذاتي، يستخدم بندول الكوارتز لقياس تسارع الجسم من خلال خاصية انحرافه عن وضع التوازن بفعل قوة القصور الذاتي. وبفضل معامل درجة الحرارة المنخفض لمادة الكوارتز عالية النقاء وخصائصه الهيكلية المستقرة، يتميز مقياس التسارع Q-Flex بدقة قياس عالية، وضوضاء قياس منخفضة، واستقرار جيد على المدى الطويل، ويُستخدم على نطاق واسع في التحكم في وضعية الطائرات، والملاحة والتوجيه، بالإضافة إلى الاستكشاف الجيولوجي والبيئات الصناعية الأخرى.1. طريقة الكشف لمقياس التسارع Q-Flexعندما يكون النظام في حالة الحلقة المفتوحة، ولأن النظام لا يستطيع إنتاج عزم التغذية الراجعة، فإن مجموعة البندول تتعرض لعزم قصور ذاتي ضعيف أو عزم نشط لمحول عزم الدوران، ويلامس بندول الكوارتز بسهولة حديد النير وظاهرة التشبع، مما يجعل من الصعب للغاية اختبار معلمات التخميد في حالة الحلقة المفتوحة، لذلك، تعتبر معلمات التخميد قابلة للقياس في حالة الحلقة المغلقة للنظام.تعكس خصائص التردد في الحلقة المغلقة لنظام التحكم تغير سعة وطور إشارة الخرج مع تردد إشارة الدخل. يكون استجابة التردد للنظام المستقر عند نفس تردد إشارة الدخل، وتكون سعته وطوره دالتين للتردد، لذا يمكن استخدام منحنى خصائص السعة والطور لاستجابة التردد لتحديد النموذج الرياضي للنظام. وللحصول على معلمات التخميد الفعلية لمقياس التسارع، تُستخدم طريقة قياس استجابة التردد في الحلقة المغلقة.في طريقة قياس استجابة التردد ذات الحلقة المغلقة، يُثبَّت مقياس التسارع على طاولة اهتزاز أفقية في وضعية "البندول"، بحيث يتوافق اتجاه إدخال التسارع من طاولة الاهتزاز مع المحور الحساس لمقياس التسارع. يُزيل هذا الوضع الأفقي لمقياس التسارع في وضعية "البندول" تأثير الجاذبية على عدم تناظر التسارع المُدخل.الشكل 1: منحنى خصائص التردد لسعة الحلقة المغلقة لـ qfasعن طريق التحكم في الهزاز الأفقي، يتم تطبيق إشارة تسارع جيبية مقدارها 6 g (حيث g هو تسارع الجاذبية الأرضية، 1 g ≈ 9.8 م/ث²)، بتردد متزايد تدريجيًا من 0 إلى 600 هرتز، على مقياس التسارع Q-Flex، مما يعكس توهين السعة وتأخير الطور لخرج مقياس التسارع ضمن نطاق التصميم وعرض النطاق الترددي الخاص به. سيُنتج مقياس التسارع الخرج المقابل تحت تأثير طاولة الاهتزاز، ويقوم مسجل معدل أخذ العينات العالي المتصل بكلا طرفي مقاومة أخذ العينات بتسجيل خرج مقياس التسارع، ورسم منحنى خصائص السعة والتردد الموضح في الشكل 1.في نطاق تمرير منحنى خصائص السعة-التردد لمقياس التسارع، يحافظ مقياس التسارع المرن المصنوع من الكوارتز على قدرة جيدة على تتبع التسارع. مع زيادة تردد التسارع المدخل، تبلغ ذروة رنين النظام 565 هرتز، وقيمة Mr تساوي 32 ديسيبل، وتردد القطع للنظام 582 هرتز. عند هذا التردد، تبدأ سعة النظام في إنتاج توهين يزيد عن 3 ديسيبل. بما أن القصور الذاتي الدوراني والصلابة وبقية معلمات حلقة التحكم المؤازر لمقياس التسارع Q-Flex معروفة، تُستخدم خصائص السعة-التردد للنظام لحساب المعلمة المجهولة δ. تُعطى دالة نقل الحلقة المغلقة للنظام كما يلي:المعادلة 1تقوم طريقة المربعات الصغرى بتقدير معلمات النموذج بناءً على البيانات المرصودة الفعلية، ويتم الحصول على مجموعة من بيانات سعة التردد عن طريق توليد مدخل تسارع خارجي من خلال هزاز أفقي، والذي يتم قياسه بواسطة مسجل قلم، كما هو موضح في الجدول 1.الجدول 1: بيانات أخذ عينات سعة التردد لـ qfasتُعتبر دالة استجابة السعة والتردد لنظام مقياس التسارع الانحنائي المصنوع من الكوارتز ذي المعلمات المعروفة هي دالة الهدف، ويتم تحديد مجموع مربعات البواقي ذي المعلمات المجهولة على النحو التالي:المعادلة 2حيث n هو عدد نقاط الميزة المختارة. باستخدام المعادلة أعلاه، يتم اختيار قيمة مناسبة لـ δ بحيث تكون قيمة D(δ) في أدنى قيمة لها. يتم الحصول على معامل التخميد المطلوب δ = 7.54 × 10⁻⁴ نيوتن.متر.ثانية/راديان باستخدام طريقة المربعات الصغرى.تم إنشاء نموذج محاكاة الحلقة المغلقة للنظام، وتم استبدال معامل التخميد في نموذج رأس مقياس التسارع المرن الكوارتزي وتمت محاكاة النظام، وتم رسم منحنى خصائص السعة والتردد للنظام كما هو موضح في الشكل 2، وهو أقرب إلى المنحنى المقاس.الشكل 2: خصائص تردد السعة الحقيقية ومخرجات محاكاة المعلماتحلت بعض الدراسات توزيع التخميد للغشاء الكهروإجهادي على سطح البندول باستخدام طريقة فرق المجال الزمني المحدود، ووجدت أن معامل التخميد للغشاء الكهروإجهادي للبندول هو 1.69 × 10⁻⁴ نيوتن.متر.ثانية/راديان، مما يشير إلى أن معامل التخميد الذي تم الحصول عليه من خلال تحديد استجابة النظام للسعة والتردد له نفس رتبة المقدار للقيمة المحسوبة نظريًا، وأن الخطأ ينشأ من تخميد مادة الهيكل الميكانيكي، وخطأ التركيب أثناء التثبيت والاختبار، وخطأ إدخال الهزاز، وعوامل بيئية أخرى.2. الخاتمةتوفر شركة Micro-Magic Inc مقاييس تسارع كوارتز عالية الدقة، مثل AC-5، ذات خطأ صغير ودقة عالية، والتي تتميز بثبات انحياز يبلغ 5 ميكروغرام، وقابلية تكرار عامل المقياس من 50 إلى 100 جزء في المليون، ووزن 55 غرام، ويمكن استخدامها على نطاق واسع في مجالات حفر النفط، ونظام قياس الجاذبية الصغرى الحاملة، والملاحة بالقصور الذاتي. AC5مقياس تسارع بندول كوارتز بنطاق قياس واسع 50 غرامًا، مقياس تسارع مرن كوارتز