Accelerometer คือ เครื่องตัววัดความเร่ง ของการเคลื่อนที่ของวัตถุ คุ้นเคยดีในมือถือสมาร์ทโฟนทั่วไป เช่น iPhone ตัวอย่างการใช้งานเช่น การเขย่าเพื่อเปลี่ยนเพลง หรือการเขย่าตัวเครื่องเพื่อใช้ในการควบคุมการเล่นเกม ล้วนเป็นคุณสมบัติของ accelerometer ที่ติดมาในเครื่อง
โครงสร้างของ accelerometer จะประกอบด้วยสปริงและลูกตุ้มน้ำหนัก เมื่อมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งลูกตุ้มน้ำหนักจะถูกกดไปอีกฝั่งตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ สปริงก็ทำหน้าที่ดึงกลับเข้าที่อีกครั้งเมื่อหยุดการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่คือความเร่งเท่ากับศูนย์ ค่าที่วัดได้ก็จะไม่เปลี่ยนแปลง
ส่วนตัวเซ็นเซอร์ภายใน ที่จะใช้ในการตรวจวัดความเร่งของลูกตุ้มที่อยู่ในระบบนั้นมีหลายชนิด เช่น เพียโซอิเล็กทริค, สเตรนเกจ, ชนิดใช้แสงตรวจวัด, วัดแรงเฉือน เป็นต้น
โดยที่สามารถแบ่งลักษณะการตรวจวัดได้ 2 ลักษณะ
1. การตรวจวัดการช็อก (shock) และการสั่นสะเทือน (vibration) ซึ่ง
*การช็อก คือ อัตราเร่งขนาดมหาศาลที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ
*การสั่นสะเทือน คือ อัตราเร่งขนาดเล็กที่เกิดขึ้นซ้ำกันไปเรื่อยๆ
2. การตรวจวัดอัตราเร่งของวัตถุ เพื่อนำข้อมูลไปใช้ในการระบุตำแหน่ง ความเร็ว และระยะทางที่ได้จากการเคลื่อนที่
มิเตอร์วัดความเร่งนี้โดยหลักๆแล้วจะแบ่งเป็น 2 ชนิด
1. มิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบไซซมิกแมส (seismic mass accelerometer)มิเตอร์ชนิดนี้อาศัยหลักการตรวจวัดระยะขจัดเชิงเส้นแล้วนำไปคำนวณหาอัตราเร่งที่เกิดขึ้น
โดยเทคนิคดังกล่าวสามารถอธิบายง่ายๆ ได้ก็คือ วัตถุชิ้นหนึ่งจะมีความเร่งได้ ก็จะต้องมีแรงมากระทำ
ยิ่งมีแรงมากระทำมาก ก็จะยิ่งมีความเร่งมาก ในขณะเดียวกันแรงต้านการเคลื่อนที่ก็จะมากด้วย
นอกจากนี้เมื่อมีแรงมาทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ ก็จะมีระยะขจัด ซึ่งก็จะแปรผันตรงกับแรงที่มากระทำที่วัตถุ ยิ่งแรงมากระยะขจัดยิ่งมาก
จากความสัมพันธ์ดังกล่าวได้นำไปใช้เป็นหลักการพื้นฐานของมิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบไซซมิกแมสในการตรวจวัดอัตราเร่งของวัตถุในเทอมของระยะขจัดที่เกิดขึ้น
จากรูป แสดงโครงสร้างพื้นฐานของมิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบไซซมิกแมส
โครงสร้างนี้มีมวล m ที่เรียกว่ามวลตรวจการสั่นไหว (seismic mass) ยึดติดอยู่กับสปริงที่มีค่า spring constant เท่ากับ k และมวลนี้สามารถเคลื่อนที่ในแนวระดับได้
ซึ่งหลักการทำงานก็ง่ายๆ ไม่ได้ซับซ้อนอะไร
เมื่อตัวเซนเซอร์ตัวนี้ถูกทำให้มีอัตราเร่งเกิดขึ้นจะส่งผลให้มวล m เคลื่อนที่
ซึ่งระยะที่เคลื่อนที่ออกไปจะเป็นระยะขจัดเท่ากับ x และมีทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของตัวมิเตอร์
ดังนั้นอัตราเร่ง a ของวัตถุสามารถคำนวณหาค่าได้จากความสัมพันธ์ต่อไปนี้
a = xk/m โดยที่
a คือ อัตราเร่งของวัตถุ หน่วย เมตร/วินาที
x คือ ระยะขจัดของมวล m หน่วย เมตร
k คือ ค่าคงที่ของสปริง หน่วย นิวตัน/เมตร
m คือ น้ำหนักของมวล m หน่วย กิโลกรัม
จากสมการดังกล่าวจะแสดงให้เห็นว่า
- เมื่ออัตราเร่งของวัตถุมีค่าเพิ่มขึ้น ทำให้ระยะขจัดของมวล m มีค่าเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
- เมื่ออัตราเร่งของวัตถุม่ค่าลดลง ทำให้มวล m เคลื่อนที่ไปดันสปริง
- เมื่ออัตราเร่งของวัตถุหยุดลง ก็จะทำให้มวล m เคลื่อนที่กลับมาอยู่ตำแหน่งเดิม (ตำแหน่งอ้างอิง)
แต่ในทางปฏิบัติเราสามารถวัดระยะขจัดของมวล m ได้โดยอาศัยมิเตอร์อีกชนิดหนึ่ง คือมิเตอร์วัดระยะขจัดเชิงเส้น (LVDT, potentiometer)
ส่วนการวิเคราะห์หาค่าอัตราเร่งที่เกิดขึ้นเราสามารถคำนวณหาได้โดยใช้คอมพิวเตอร์
มิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบไซซมิกแมสนี้จะนิยมใช้ในการตรวจวัดลักษณะการช็อกและลักษณะการสั่นสะเทือนที่มีความถี่ต่ำมากๆ เช่น ในเครื่องมือตรวจวัดแผ่นดินไหว หรือในเครื่องมือตรวจวัดการปะทุใต้ดินของภูเขาไฟ ฯลฯ
2. มิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric accelerometer)
คุณสมบัติพื้นฐานทางไฟฟ้าของผลึกเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric crystal) ถูกค้นพบโดย Pierre และ Jacques Curie ในราวปี ค.ศ.1880 ซึ่งเจ้า piezoelectric crystal นี้มันมีคุณสมบัติพิเศษ คือ เมื่อมันถูกแรงทางกลมากระทำ มันจะสร้างประจุไฟฟ้าขึ้นมา โดยเป็นสัดส่วนกับแรงกระทำนั้น ซึ่งจากคุณสมบัติพิเศษนี้ได้ถูกดัดแปลงนำไปใช้สร้างอุปกรณ์ต่างๆมากมาย เช่น ใช้เป็นแบตเตอรี่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับนาฬิกาข้อมือดิจิตอลที่เราใช้ทั่วไป และยังใช้สร้างมิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริกอีกด้วย
โครงสร้างของมอเตอร์วัดอัตราเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริกจะประกอบด้วย seismic mass ยึดติดกับ piezoelectric crystal และบรรจุอยู่ในตัวถังป้องกัน โดย piezoelectric crystal ที่นิยมนำมาใช้งาน ได้แก่ ผลึกควอตซ์ และผลึกโซเดียมโปตัสเซียมตาเตรต (sodium potassium tartrate) เพราะมีความทนทานต่อแรงกระทำ และราคาไม่แพงมากนัก
จากรูปแสดงโครงสร้างพื้นฐานของมิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric accelerometer) สามารถอธิบายการทำงานง่ายๆ ได้ดังนี้
เมื่อ seismic mass (m) ถูกทำให้เกิดอัตราเร่งขึ้น (ถูกกด) มันจะส่งผ่านแรงกดไปกระทำกับ piezoelectric crystal ที่ถูกยึดติดอยู่ด้วยกัน ด้วยคุณสมบัติพิเศษของมันจะทำให้ประจุไฟฟ้าถูกสร้างขึ้น และถูกสายนำสัญญาณออกไปยังเอาต์พุตของวงจร โดยที่ด้านเอาต์พุตจะต้องมีวงจรขยายประจุไฟฟ้า (charge amplifier) เพื่อขยายค่าประจุไฟฟ้าที่ได้ให้เป็นแรงดันเอาต์พุตตามสัดส่วนของอัตราเร่งที่เกิด จะได้สามารถแสดงผลได้ด้วยโวลต์มิเตอร์
มิเตอร์วัดอัตราเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริกตอบสนองต่อทางด้านความถี่สูงได้ดี แต่ในทางกลับกันก็จะมีผลตอบสนองทางด้านความถี่ต่ำที่ไม่ดีนัก มีขนาดค่อนข้างเล็ก น้ำหนักเบา และสามารถใช้งานที่มีอัตราเร่งได้สูงถึง 250,000 m.s-2
การประยุกต์การใช้งานในงานวิศวกรรมชีวการแพทย์
การนำ accelerometer ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวเวช เช่น เครื่องตรวจวัดความเร็วที่ติดในรองเท้า เครื่องนับจำนวนก้าวเท้า เป็นต้น
เครื่องตรวจวัดความเร็วที่ติดในรองเท้า
เครื่องนับจำนวนก้าวเท้า
ผลิตภัณฑ์ที่มีขายในท้องตลาด
1. Scrollbar บน Touch Screen
ใช้ Micro-accelerometer สำหรับตรวจจับการเคลื่อนไหวนิ้วมือของผู้ใช้ เวลาเราใช้นิ้วลากเร็วๆ ชิปวัดความเร่งจะจับความเร่งที่นิ้วเราเคลื่อนไหวแล้วสั่งให้หน้าจอก้อเลื่อนไปตามความเร่งนั้น ถ้าช้าหน้าจอก้อค่อยๆเลื่อนไป เรื่องการทำงานของ Touch Screen คือใช้หลักฉาบวัสดุที่ประจุไฟฟ้า(Capacitive)ไว้ที่สกรีน พอนิ้วเข้าไปใกล้(แม้จะไม่สัมผัส) ประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนไปสู่นิ้วมือเรา เซนเซอร์จะรับข้อมูลจากประจุที่เปลี่ยนไป ณ พิกัดตำแหน่งบนจอ แล้วส่งไปยังโปรแกรมระบุตำแหน่ง เพื่อให้ทราบว่าพิกัดนั้นตรงกลับไอคอนอะไร แล้วแสดงเนื้อหาในไอคอนนั้นๆออกมา การแสดงเนื้อหาทางมอนิเตอร์นั้นใช้หลักคือใส่ค่าไฟฟ้าเข้าไปแล้วให้ LCD (Liquid Crystal Display) แสดงภาพ กระแสไฟฟ้าเข้าไปกระตุ้นผลึกเหลวให้เกิดการบิดตัวของโมเลกุล โมเลกุลที่ไม่บิดตัวจะบล็อคแสงไม่ให้ส่งผ่านออกไป แสงที่ส่องผ่านผลึกเหลวออกไปจะผ่านฟิลเตอร์สี(แดง เขียว น้ำเงิน) แล้วออกมาแสดงภาพ
2. ระบบนาวิเกชั่น ซึ่งใช้ MEMS ประกอบทั้ง Gyrosensors เซนเซอร์จับมุม(หรือความเอียง)และ Micro-accelerometer มิเตอร์วัดความเร่ง ส่วนของเกมส์ในโทรศัพท์นั้นใช้เพียง Accelerometer ปุ่มคอนโทรลเราลากไปในแนวราบ เพราะมีเพียงแนวแกนX และ Y บน-ล่าง ซ้าย-ขวา แต่ถ้าเพิ่มมิเตอร์วัดความเร่งเพิ่มอีกในแนวแกน Z รวมกับเซนเซอร์จับมุมเพื่อเพิ่มแกน R กับ theta จะจับการเคลื่อนไหวได้ทุกทิศทางเหมือนเครื่องเล่นWii ส่วนในภาพประกอบนี้เป็นจอยสติ๊กแบบไวร์เลสที่พัฒนามาโดยใช้เซนเซอร์จับค่าแรงและทิศทางที่เราผลักปุ่มคอนโทรลบนจอยสติ๊กแล้วส่งคลื่นวิทยุไปบอกค่าทางโทรศัพท์เพื่อสั่งงานแทน
3. กล้องถ่ายรูปและกล้องวีดีโอนั้นมีระบบที่เรียกว่า Image Stabilization หรือตัวชดเชยมือสั่นใช้ Accelerometer จับการเคลื่อนไหวและส่งแรงออกมาชดเชยในทิศทางที่กล้องเคลื่อนไป
4. Airbag ถุงลมนิรภัย ใช้เซนเซอร์จับการเคลื่อนไหวด้วยความเร่งที่กำหนดไว้ในช่วงๆหนึ่ง accelerometer นี้จะทำจากซิลิกอนรูปร่างเหมือนหวีสับหว่างกันสองอัน(เรียกว่า Comb drive เล็กมากต้องส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์) ซึ่งจะเคลื่อนเข้าหาและออกจากกันตามความเร็วที่คงที่และทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ
เมื่อติด Comp drive ไว้กับรถ เวลารถเคลื่อนที่ในแนวราบ ไม่ว่าจะความเร็วใดก็ตามมันจะทำงานปกติ แต่ถ้าเกิดการกระแทกหรือรถคว่ำ Comp drive จะไม่เคลื่อนเข้าออกอย่างเดียว แต่จะแกว่งขึ้นลงด้วยทำให้ประจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปหรือเกิดการช็อท เซนเซอร์จะรีพอร์ทให้ปล่อยถุงลมออกมา
รถสมัยใหม่จะไม่ได้มีถุงลมแต่ด้านหน้า มีทั้งด้านข้างด้วย ซึ่งเชคได้จากการวาง accelerometer ที่แนวแกนไหน จะมีการรีพอร์ทไปยังถุงลมที่เชื่อมกับ accelerometer ตัวนั้น
 |
| กล่องคอนโทรลที่บรรจุเซนเซอร์สำหรับรถยนต์ |
คลิปวีดิโอเกี่ยวกับ accelerometer sensor จะเห็นว่าทุกครั้งที่มีการสั่นก็จะเกิดความเร่งทำให้เซนเซอร์ส่งเสียงออกมาแตกต่างกัน
ราคา : ประมาณตั้งแต่ 1,000 – 19,000 บาท
แหล่งที่มา :
http://www.bloggang.com/viewdiary.php?id=joyful-planet&month=02-2009&date=23&group=1&gblog=6
http://www.roboac.com/accelerometer-%E0%B9%81%E0%B8%A5%E0%B8%B0-gyroscope%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B8%81%E0%B8%B1%E0%B8%99%E0%B8%AD%E0%B8%A2%E0%B9%88%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B9%84%E0%B8%A3.htm
สุดยอดจังเรย บล๊อกนี้ดีจริงๆๆค่ะ ....
ตอบลบขอบคุณค่ะ มีประโยชน์มากๆเลย
ตอบลบขอบคุณครับ หาตั้งนานกว่าจะเจอบล๊อกนี้
ตอบลบ