شتاب سنج دارای مدل‌های یک محوری و چند محوری است که می توانند اندازه و جهت شتاب را به عنوان یک کمیت برداری اندازه گیری کنند؛ می توان از حسگرهای شتاب سنج برای تعیین موقعیت و آشکار سازی لرزش و ضربه استفاده کرد. شتاب سنج‌های ریزماشین کاری شده با روند رو به افزایشی در لوازم الکترونیکی قابل حمل و کنترلرهای بازی‌های کامپیوتری برای تعیین موقعیت و به عنوان ورودی بازی‌های کامپیوتری به کار می روند.

اصول فیزیکی شتاب سنج

شتاب سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش 'g=9.8m/s^2' اندازه گیری می کنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع مانا وجود دارد و شتاب سنج شتاب را نسبت به آن دستگاه اندازه می گیرد. به این صورت که فرض می‌کند اگر قرار بود در دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمی شد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می گیرد و شتابی را که باید داشته باشد حدس می زند.
شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه می شود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که در یک سفینهٔ فضایی با شتاب 1g حرکت می‌کند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت نیروی گرانش 1g قرار دارد وجود ندارد و تحت اثر همان نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار تحت اثر آنها است. بنابراین شتاب سنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفته است شتابی برابر 1g به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی به سمت بالا شتاب می گیرد. این دستگاه مرجع لخت محلی دستگاه یک جسم در حال سقوط آزاد روی سطح زمین است. برای اینکه مقدار شتاب خالص ناشی از حرکت را نسبت به زمین به دست آوریم باید مقدار تفاوت شتابی که گرانش ایجاد می کند، را کم کرد. از آنجایی که نیروی گرانش موجب شتاب صحیح نمی شود و شتاب سنج نسبت به شتاب گرانشی حساس نیست، و مقدار آن را نمی تواند مستقیما اندازه گیری کند، این موضوع به طور کلی در مورد هر میدان گرانشی درست است.
علت وجود اختلاف به دلیل گرانش را می توان با اصل هم ارزی انیشتین توجیه کرد. این اصل بیان می‌کند که اثر گرانش بر اجسام از اثر شتاب دستگاه مرجع غیر قابل تفکیک است. هنگامی که در یک میدان گرانشی به وسیلهٔ اعمال نیروی واکنش از طرف زمین و یا نیروی مخالف برابر دیگری به سمت بالا در حالت سکون هستیم، دستگاه مرجع برای یک شتاب سنج (بدنهٔ شتاب سنج) نسبت به دستگاه مرجع متصل به جسم در حال سقوط آزاد دارای شتابی به سمت بالا است. اثر شتاب این دستگاه مرجع از هر شتاب دیگری که روی ابزار اعمال می شود، غیر قابل تفکیک است. بنابراین یک شتاب سنج نمی تواند تفاوت بین نشستن درون یک موشک روی سکوی پرتاب و حرکت در همان موشک با شتاب 1g در اعماق فضا را تشخیص دهد.

 

به همین دلیل یک شتاب سنج در هنگام سقوط آزاد شتاب صفر را نشان می دهد. این موضوع شامل استفاده از شتاب سنج درون یک سفینهٔ اکتشافی در اعماق فضا و به دور از هر جرم، سفینه ای که به دور زمین می گردد، هواپیمایی که در قوس سهموی صفر-g یا هر مسیر سقوط آزاد دیگری در خلا را طی می کند، می شود. یک مثال برای این مورد سقوط آزاد از ارتفاع زیاد با صرف نظر از اثر اتمسفری است.
اگرچه این موضوع در مورد یک سقوط غیر آزاد که مقاومت هوا موجب نیروی پس کشی و کاهش شتاب می‌شود صدق نمی کند، ولی پس از اینکه به سرعت حد رسیدیم، شتاب سنج شتاب 1g به سمت بالا را احساس می کند. این شتاب ناشی از نیروی پس کشی است. مثالی عملی از این مسئله هنگامی است که یک چترباز در حال سقوط به سرعت حد می رسد و دیگر احساس نمی کند که در حال سقوط آزاد است و احساسی مشابه خوابیدن روی تختی از هوا دارد.
شتاب در دستگاه SI با واحد متر بر ثانیه بر ثانیه (m/s2)، در دستگاه cgs با واحد Gal و به طور معمول با واحد نیروی گرانش (g) تعیین می شود.
به دلایل عملی برای اندازه گیری شتاب اجسام نسبت به زمین، مثلا برای استفاده در سیستم‌های ناوبری ماندی، اطلاعاتی از گرانش در محل مورد نیاز است. که این مشکل از طریق تنظیم دستگاه در حالت سکون یا از طریق یک مدل تقریبی از گرانش در محل کنونی برطرف می شود.

ساختار شتاب سنج ها

به طور مفهومی، یک شتاب سنج مانند یک جسم میرا کننده روی یک فنر عمل می کند. هنگامی که شتاب سنج با شتابی حرکت می کند، جسم به اندازه ای جابجا می‌شود که نیروی وارد شده از فنر به جسم، جسم را با شتابی برابر شتاب بدنهٔ شتاب سنج حرکت دهد. سپس با اندازه گیری میزان جابجایی مقدار شتاب اندازه گیری می شود.
شتاب سنج‌های جدید معمولاً بر پایهٔ سیستم‌های الکترومکانیکی میکرومتری (MEMS) هستند. این ادوات در واقع ساده‌ترین ادوات تحقق پذیر MEMS هستند. این ادوات دارای تیر آزادی (cantilever beam) هستند که به یک جرم لرزه ای متصل است می باشند؛ علاوه بر اینها شامل اندکی اجزای دیگر نیز می باشند. میراکنندگی در اثر گازهای باقیماندهٔ محبوس شده در داخل دستگاه ایجاد می شود. تا زمانی که Q-factor خیلی کم نیست، میراکنندگی موجب حساسیت کم نمی شود. تحت اثر شتاب خارجی جرم لرزه ای متصل به تیر آزاد از مکان طبیعی خود منحرف می شود. این انحراف به صورت آنالوگ یا دیجیتال اندازه گیری می شود. معمولاً خازن بین مجموعه ای از تیرهای ثابت و مجموعه ای از تیرهایی که به جرم‌های لرزه ای متصل اند اندازه گیری می شوند. این روش ساده، قابل اعتماد و ارزان است. گنجاندن مقاومت‌های پیزو (piezoresistor) در فنرها برای آشکارسازی تغییر شکل فنر و متعاقبا انحراف آن‌ها جایگزین خوبی برای روش قبل می باشد. این روش تنها چند مرحله پردازش اضافه در فرایند ساخت نیاز دارد. برای حساسیت‌های بالا از تونل زنی کوانتومی نیز استفاده می شود. این روش نیاز به یک پردازش اختصاصی دارد که آن را بسیار گران می کند. اندازه گیری‌های نوری در محیط آزمایشگاهی انجام شده اند.
نوع غیر معمول دیگری از شتاب سنج‌های بر مبنای تکنولوژی MEMS شامل یک گرم کننده کوچک در پایین یک برآمدگی توخالی خیلی کوچک است. گرم کننده هوای داخل محفظه را گرم می‌کند و موجب بالا آمدن آن می شود. یک ترموکوپل بر روی محفظه مشخص می‌کند در کجا هوای گرم به محفظه می رسد و انحراف آن از مرکز برآمدگی محفظه اندازه گیریی از شتابی است که به سنسور اعمال شده است. بیشتر شتاب سنج‌های میکرو مکانیکی در صفحه کار می کنند، به این معنی که طوری طراحی شده اند که تنها به شتاب در راستای برش زیرلایه (die) حساس هستند. به وسیله ترکیب کردن دو وسیله به صورت عمود بر یکدیگر بر روی یک زیرلایه می توان یک شتاب سنج دو محوری ساخت که شتاب را در دو راستا اندازه گیری می کند. به وسیله اضافه کردن یک وسیله شتاب سنج دیگر خارج از صفحه می توان در سه راستا شتاب را اندازه گیری کرد. این ترکیب همواره خطای بسیار کمتری نسبت به حالتی دارد که افزاره‌ها را پس از ساخت جداگانه با هم ترکیب کنیم.
شتاب سنج‌های میکرومکانیکی برای اندازه گیری در محدوده‌های بسیار وسیعی، که به هزاران g هم می رسد، به کار می روند. طراح باید مصالحه ای بین حساسیت و حداکثر مقدار شتاب قابل اندازه گیری انجام دهد.

کاربرد شتاب سنج 

مهندسی

شتاب سنج‌ها می توانند برای اندازه گیری شتاب وسیله‌های نقلیه به کار روند. با استفاده از آن‌ها می توان کارایی موتور و سیستم انتقال گشتاور و سیستم ترمز را ارزیابی کرد. اعداد مفیدی مانند 0-60mphو 60-0mph و زمان‌های 1/4 مایل را می توان با استفاده از شتاب سنج‌ها پیدا کرد.
شتاب سنج‌ها را می توان در اندازه گیری لرزش خودروها، ماشین ها، ساختمان ها، پردازش سیستم‌های کنترل و ایمنی نصب دستگاه‌ها به کار برد. شتاب سنج‌ها را می توان در اندازه گیری فعالیت‌های زمین لرزه ای، انحراف، لرزش ماشین ها، فاصله دینامیک و سرعت با تاثیر یا بدون تاثیر گرانش استفاده کرد.شتاب سنج هایی که گرانش را اندازه گیری می کنند و مخصوص این کار طراحی شده اند را گراویمتر (gravimeter) می نامند.
نوت بوک هایی که به شتاب سنج مجهز شده اند می توانند در شبکهٔ لرزه نگار (GCN) شرکت کنند. این شبکه یک پروژه BOINC با هدف پژوهش علمی در مورد زمین لرزه است.

زیست‌شناسی

شتاب سنج‌ها با روند رو به افزایشی در علوم زیستی به کار می روند. ثبت فرکانس بالای شتاب‌های دوبعدی و سه بعدی (>10Hz) اجازه مطالعه و شناخت الگوهای رفتاری را هنگامی که حیوانات از دید خارج می شوند را می دهند. علاوه بر این ثبت شتاب به محققان اجازه اندازه گیری آهنگ مصرف انرژی حیوانات در حیات وحش، به وسیله اندازه گیری فرکانس برخورد اندام ها، را می دهد. یا می توان شتاب پویای کلی بدن را اندازه گیری کرد. این روش بیشتر به وسیله دانشمندان دریایی به خاطر عدم توانایی در مطالعه حیوانات در حیات حش به وسیله مشاهدات دیداری، مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه تعداد رو به افزایشی از زیست شناسان خشکی نیز روش‌های مشابهی را استفاده می کنند. شتاب سنج را می توان به یک تقویت کننده متصل کرد تا سیگنال مورد نظر را تقویت کند.

صنعت – مانیتور کردن سلامت دستگاه

شتاب سنج‌ها برای مانیتور کردن سلامت دستگاه‌های چرخشی مانند پمپ ها، پنکه ها، غلتک ها، کمپرسورها و برج‌های خنک کننده استفاده کرد. اثبات شده است که برنامه‌های مانیتور لرزش هزینه‌ها را کاهش می دهند، زمان از کارافتادگی دستگاه‌ها را کاهش می دهد و ایمنی کارخانه را افزایش می دهد. این امر به وسیله تشخیص موقعیت هایی مانند غیر هم محوری شافت‌ها (محورها)، عدم تعادل موتورها و خرابی چرخ دنده ها یا خطا در نیرو که منجر به تعمیرات پرهزینه می شود، صورت می گیرد. اطلاعات لرزشی شتاب سنج‌ها به کاربر اجازه مانیتور کردن ماشین‌ها و پیدا کردن این خطاها را پیش از اینکه دستگاه چرخنده از کار بیفتد می دهد برنامه‌های مانیتور کردن لرزش در صنعت هایی مانند تولید خودرو، استفاده‌های ابزار کار، تولیدات دارویی، تولید انرژی و نیروگاه ها، خمیر کاغذ و کاغذ، تولید آشامیدنی و غذا، آب و فاضلاب و پتروشیمی و تولید فولاد به کار می روند.

مانیتور کردن ساختمان و بنا

شتاب سنج‌ها برای اندازه گیری حرکت و لرزش ساختمان هایی که تحت بارهای دینامیک هستند به کار می روند. بارهای دینامیک از منابع مختلفی ناشی می شوند:
فعالیت‌های انسان مانند راه رفتن، دویدن، رقصیدن، یا پریدن ماشین‌های درحال کار در داخل ساختمان یا در محوطه اطراف آن.
کارهای ساختمانی مانند جابجایی مقادیر زیاد خاک، تخریب ساختمان، حفاری، جابجایی بار روی پل ها، برخورد خودروها، نیروهای ضربه ای مانند اجسام در حال سقوط، ضربه‌های شدید مانند انفجارهای داخلی و خارجی، ریزش اجزای ساختمانی، نیروی باد و تند باد، فشار جریان تند هوا، از بین رفتن تکیه گاه‌ها به دلیل سستی زمین، زمین لرزه‌ها و پس لرزه ها، اندازه گیری و ثبت اینکه یک ساختمان چگونه به این ورودی‌ها پاسخ می دهد برای ارزیابی ایمنی و پایداری ساختار حیاتی است. این نوع از مانیتورینگ با مانیتورینگ پویا می نامند.

استفاده‌های پزشکی

Zoll's AED Plus از یک CPR-D•padz استفاده می‌کند که دارای یک شتاب سنج است که عمق CPR فشردگی سینه را اندازه می کند. در چند سال اخیر، شرکت‌های Nike،Polar و چند شرکت دیگر ساعت‌های ورزشی را برای دوندگان طراحی و به بازار عرضه کرده اند که دارای footpod می باشد. footpod دارای شتاب سنج هایی است که به مشخص کردن سرعت و فاصله شخص کمک می کند.
در بلژیک، برای ترغیب مردم به پیاده روی به میزان چندین هزار قدم در روز، گام شمارهای مبتنی بر شتاب سنج توسط دولت ترویج می شوند. آموزش دهنده دیجیتال هرمان (Herman Digital Trainer) از شتاب سنج‌ها برای اندازه گیری نیروی ضربه در تمرینات بدنی استفاده می کند.

 

ناوبری

یک سیستم ناوبری ماندی (INS) یک ابزار کمکی برای ناوبری است که با استفاده از یک کامپیوتر و سنسورهای حرکت (شتاب سنج ها) موقعیت، جهت گیری و سرعت (جهت و تندی حرکت) یک جسم در حال حرکت را به طور پیوسته و به روش dead reckoning محاسبه می کند. این کار بدون نیاز به یک نقطه مرجع خارجی صورت می گیرد. اصطلاحات دیگری که برای اشاره به سیستم‌های ناوبری ماندی استفاده می شوند یا و دستگاه‌های مشابه اشاره می کنند عبارتند از: سیستم هدایت ماندی، inertial reference platform و جایگشت‌های دیگر آن.
یک شتاب سنج به تنهایی برای آشکار کردن تغییرات ارتفاع در فواصلی که تغییر در گرانش عمودی قابل ملاحظه است مثلا در هواپیما و موشک، نامناسب است. در حضور گرادیان گرانشی، تنظیم دستگاه و پروسه کم کردن اطلاعات نا پایدار است.

حمل و نقل

شتاب سنج‌ها برای یافتن نقطه اوج در پرتاب موشک حرفه ای و آماتور استفاده می شوند. شتاب سنج‌ها همچنین در غلطک‌های فشرده سازی استفاده می شوند. شتاب سنج‌ها همراه با ژیروسکوپ‌ها در سیستم‌های ردیاب داخلی استفاده می شوند.

 

یکی از معمول‌ترین کاربردهای شتاب سنج‌های MEMS در گسترش سیستم کیسه هوا در وسایل نقلیه مدرن است. در این حالت شتاب سنج‌ها برای شناسایی شتاب منفی سریع وسیله نقلیه استفاده می شوند تا مشخص کنند که چه زمانی یک برخورد صورت گرفته و شدت برخورد چقدر بوده است. یکی دیگر از کاربردهای این وسیله در خودرو ها، سیستم‌های کنترل پایداری الکترونیکی است که از یک شتاب سنج جانبی برای اندازه گیری نیروهای کناری استفاده می‌کند. استفادهٔ گسترده از شتاب سنج‌ها در صنعت خودرو قیمت آن ها را بطور قابل توجهی کاهش داده است. یکی دیگر از کاربردها در خودرو، چک کردن نویز، لرزش و سختی است (NVH)، شرایطی که باعث ناراحتی برای رانندگان و مسافران می‌شود و همچنین ممکن است نشان دهندهٔ نقص‌های مکانیکی باشد.
قطارهای پر شتاب از شتاب سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها برای محاسبه شتاب مورد نیاز استفاده می کنند.