مقياس التسارع هو أداة مصممة لقياس التسارع المناسب لجسم ما. يتم تعريف التسارع المناسب على أنه معدل التغير في سرعة الجسم بالنسبة لمراقب في حالة السقوط الحر، والذي يشكل إطارًا مرجعيًا بالقصور الذاتي. وهذا يختلف عن التسارع الإحداثي، الذي يتم قياسه فيما يتعلق بنظام الإحداثيات المتسارع المحتمل. على سبيل المثال، سيكشف مقياس التسارع الثابت على سطح الأرض عن تسارع تصاعدي يبلغ حوالي g (9.81 م/ث2) بسبب الجاذبية. وفي المقابل، فإن مقياس التسارع في حالة السقوط الحر سيسجل تسارعًا صفرًا.
مقياس التسارع هو جهاز يقيس التسارع المناسب لجسم ما. التسارع المناسب هو التسارع (معدل تغير السرعة) للجسم بالنسبة إلى مراقب في حالة سقوط حر (أي بالنسبة إلى إطار مرجعي بالقصور الذاتي). يختلف التسارع المناسب عن التسارع الإحداثي، وهو التسارع بالنسبة لنظام إحداثي معين، والذي قد يتسارع أو لا يتسارع. على سبيل المثال، سيقيس مقياس التسارع الثابت على سطح الأرض تسارعًا بسبب جاذبية الأرض لأعلى بشكل مستقيم يبلغ حوالي g ≈ 9.81 m/s§45§. على النقيض من ذلك، فإن مقياس التسارع الذي يكون في حالة سقوط حر سيقيس التسارع صفر.
تعد مقاييس التسارع عالية الحساسية مكونات أساسية لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي المستخدمة في الطائرات والصواريخ. وفي المركبات الجوية بدون طيار (UAVs)، تساهم هذه الأجهزة في استقرار الرحلة. يتم دمج مقاييس تسارع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل الهواتف الذكية والكاميرات وأجهزة التحكم في ألعاب الفيديو، للتأكد من حركة الجهاز واتجاهه. علاوة على ذلك، تُستخدم مقاييس التسارع بشكل روتيني لرصد الاهتزازات في الآلات الصناعية. يتم استخدام مقاييس الزلازل، وهي مقاييس تسارع حساسة متخصصة، لاكتشاف الحركات الأرضية مثل الزلازل.
عندما تتم مزامنة مقاييس تسارع متعددة، يمكنها قياس الاختلافات في التسارع المناسب، وتحديدًا قوى الجاذبية، عبر الفصل المكاني، وبالتالي تحديد تدرج مجال الجاذبية. أثبت قياس تدرج الجاذبية قيمته لأن تأثير الجاذبية المطلقة ضعيف بطبيعته ويتأثر بالكثافة المحلية المتغيرة للغاية للأرض.
تم تصميم مقياس التسارع أحادي المحور لقياس التسارع حصريًا على طول محور محدد. في المقابل، يتحقق مقياس التسارع متعدد المحاور من حجم واتجاه التسارع المناسب، ويعامله ككمية متجهة، ويشتمل عادةً على عدة مقاييس تسارع أحادية المحور تتماشى مع محاور مختلفة.
المبادئ الفيزيائية الأساسية
يقيس مقياس التسارع التسارع المناسب، والذي يُعرف بأنه التسارع المرتبط بالسقوط الحر، والذي يتوافق مع التسارع الذي يشعر به الأفراد والأشياء. وبعبارة أخرى، فإن مبدأ التكافؤ يضمن وجود إطار قصوري محلي في أي نقطة معينة في الزمكان، ويقيس مقياس التسارع التسارع فيما يتعلق بهذا الإطار المحدد. يُشار إلى هذه التسارعات عادةً باسم قوة الجاذبية، مما يدل على المقارنة بالجاذبية القياسية.
سيسجل مقياس التسارع الثابت على سطح الأرض تسارعًا تقريبيًا قدره 1 جرام لأعلى. يحدث هذا لأن سطح الأرض يبذل قوة عمودية تصاعدية بالنسبة إلى إطار القصور الذاتي المحلي، وهو إطار جسم يسقط سقوطًا حرًا بالقرب من السطح. لتحديد التسارع الناتج عن الحركة بالنسبة للأرض بدقة، فإن "إزاحة الجاذبية" المتأصلة هذه تتطلب الطرح، ويجب تطبيق المزيد من التصحيحات للتأثيرات الناجمة عن دوران الأرض بالنسبة إلى إطار القصور الذاتي.
تنشأ ظاهرة إزاحة الجاذبية من مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين، والذي يفترض أن تأثيرات الجاذبية على جسم ما لا يمكن تمييزها عن تأثيرات التسارع. عندما يتم إبقاء مقياس التسارع ثابتًا داخل مجال الجاذبية، على سبيل المثال، بواسطة قوة رد فعل أرضية أو دفع مكافئ للأعلى، فإن إطاره المرجعي الداخلي (غلافه) يتسارع لأعلى بالنسبة إلى إطار مرجعي السقوط الحر. وبالتالي، لا يمكن تمييز تأثيرات هذا التسارع عن أي تسارع آخر قد يتعرض له الجهاز. وبالتالي، لا يمكن لمقياس التسارع أن يفرق بين الثبات في صاروخ على منصة الإطلاق وبين التواجد في نفس الصاروخ في الفضاء السحيق متسارعًا بمقدار 1 جم باستخدام محركاته. وبشكل مماثل، سيسجل مقياس التسارع صفر أثناء أي شكل من أشكال السقوط الحر. يشمل ذلك سيناريوهات مثل سفينة فضاء مبحرة في الفضاء السحيق خالية من الكتلة الكبيرة، أو سفينة فضاء تدور حول الأرض، أو طائرة تنفذ مناورة مكافئة "انعدام الجاذبية"، أو أي سقوط حر يحدث في الفراغ. والمثال الإضافي هو السقوط الحر على ارتفاع عالٍ بما يكفي لجعل التأثيرات الجوية ضئيلة.
ومع ذلك، لا يمتد هذا المبدأ إلى سيناريوهات السقوط غير الحر حيث تولد مقاومة الهواء قوى السحب، وبالتالي تقليل التسارع حتى يتم الوصول إلى سرعة نهائية ثابتة. عند الوصول إلى السرعة النهائية، سيسجل مقياس التسارع تسارعًا لأعلى قدره 1 جم. وبالمثل، فإن لاعب القفز بالمظلات الذي يحقق سرعة نهائية لا يرى نفسه في حالة "سقوط حر"، ولكنه بدلاً من ذلك يشعر بإحساس أقرب إلى كونه مدعومًا (عند 1 جم) بوسادة من الهواء المندفع نحو الأعلى.
يتم قياس التسارع باستخدام وحدة SI للمتر في الثانية المربعة (m/s2)، أو وحدة cgs gal (Gal)، أو بشكل أكثر شيوعًا، نسبة إلى الجاذبية القياسية (g).
لتحديد تسارع الأجسام بالنسبة للأرض بدقة، خاصة بالنسبة لتطبيقات مثل أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، تعد بيانات تسارع الجاذبية المحلية ضرورية. يمكن الحصول على هذه البيانات من خلال معايرة الجهاز أثناء الثبات أو من خلال استخدام نموذج جاذبية محدد مسبقًا يتوافق مع الموقع الحالي التقريبي.
التصميم الإنشائي
يشتمل التصميم الأساسي لمقياس التسارع الميكانيكي على كتلة مقاومة للرطوبة معلقة بواسطة زنبرك. عند تجربة التسارع، فإن كتلة الإثبات، وفقًا لقانون نيوتن الثالث، تؤدي إلى ضغط أو تمديد الزنبرك. يؤدي هذا التعديل إلى توليد قوة معاكسة على الكتلة، مما يعاكس التسارع المطبق بشكل فعال. بالنظر إلى أن قوة الزنبرك تتناسب خطيًا مع إزاحته (وفقًا لقانون هوك) وأن ثابت الزنبرك وكتلته محددان مسبقًا، فإن قياس ضغط الزنبرك أو امتداده يؤدي مباشرة إلى التسارع. تم دمج التخميد في النظام للتخفيف من تذبذبات مجموعة الزنبرك الشامل، والتي يمكن أن تؤثر على دقة القياس. وبالتالي، فإن آلية التخميد هذه تضفي خاصية استجابة ترددية محددة لمقاييس التسارع.
تمتلك العديد من الأنواع الحيوانية أعضاء حسية متخصصة قادرة على اكتشاف التسارع، وخاصة قوى الجاذبية. ضمن مقاييس التسارع البيولوجية هذه، تتكون كتلة الإثبات عادةً من واحدة أو أكثر من بلورات كربونات الكالسيوم، المعروفة باسم otoliths (من اللاتينية، "حجر الأذن") أو statoconia. تمارس هذه البلورات ضغطًا على طبقة من الخلايا الشعرية التي تعصبها الخلايا العصبية. تعمل الخلايا الشعرية كآلية زنبركية، بينما تعمل الخلايا العصبية المرتبطة بها كمحولات طاقة حسية. عادة ما يتم توفير التخميد بواسطة السائل المحيط. العديد من الفقاريات، بما في ذلك البشر، تمتلك هذه الهياكل داخل آذانها الداخلية. تظهر أيضًا لدى معظم اللافقاريات أعضاء مماثلة، تُسمى الأكياس الإحصائية، على الرغم من أنها تختلف عمومًا عن أنظمتها السمعية.
تم تصميم العديد من مقاييس التسارع الميكانيكية باستخدام آلية ردود الفعل: تكتشف دائرة إلكترونية إزاحة الكتلة الدقيقة ثم تطبق قوة معاكسة عبر محرك خطي للحفاظ على كتلة الإثبات بالقرب من موضع توازنها. يمكن أن يكون هذا المحرك مغناطيسًا كهربائيًا أو، في مقاييس التسارع المصغرة، مشغلًا كهروستاتيكيًا. نظرًا لأنه يمكن التحكم بدقة في سلوك الدائرة الإلكترونية وتخضع كتلة الإثبات لأدنى حد من الإزاحة، فإن هذه التصميمات تحقق ثباتًا عاليًا (منع التذبذب)، وخطية ممتازة، واستجابة ترددية محددة جيدًا. يُعرف هذا المبدأ التشغيلي بتصميم الوضع المؤازر.
يستخدم القياس في مقاييس التسارع الميكانيكية في كثير من الأحيان مبادئ كهربائية أو كهرضغطية أو مقاومة ضغطية أو سعوية. تستخدم مقاييس التسارع الكهرضغطية أجهزة استشعار بيزوسيراميكية، مثل تيتانات زركونات الرصاص، أو بلورات مفردة مثل الكوارتز والتورمالين. تتفوق هذه الأجهزة في القياسات عالية التردد، وتوفر وزنًا منخفضًا، وتظهر مقاومة فائقة لدرجات الحرارة المرتفعة. تُظهر مقاييس التسارع المقاومة للضغط مرونة معززة في مواجهة الصدمات، وتتحمل تسارعات عالية جدًا بشكل أكثر فعالية. تشتمل مقاييس التسارع السعوية عادة على عنصر استشعار مصنوع من السيليكون وتكون ماهرة بشكل خاص في قياس الترددات المنخفضة.
تظهر مقاييس التسارع الميكانيكية المعاصرة في كثير من الأحيان على أنها أنظمة كهروميكانيكية دقيقة (MEMS) مدمجة، وغالبًا ما تشتمل على هياكل MEMS بسيطة نسبيًا مثل شعاع ناتئ متكامل مع كتلة إثبات (يُطلق عليها أيضًا الكتلة الزلزالية). عادةً ما يتم التخميد داخل هذه الأجهزة من خلال الغاز المتبقي المحكم الغلق داخل حاوياتها. بشرط أن يظل عامل Q مرتفعًا بما فيه الكفاية، فإن آلية التخميد هذه لا تقلل الحساسية بطبيعتها.
عند تعرضها لتسارعات خارجية، تخضع كتلة الإثبات للانحراف عن موضع توازنها. يتم قياس هذا الإزاحة لاحقًا، إما من خلال الوسائل التناظرية أو الرقمية. تتضمن تقنية القياس الأكثر شيوعًا استشعار السعة بين مجموعة من الحزم الثابتة ومجموعة من الحزم الملصقة على كتلة الإثبات. يوفر هذا النهج البساطة والموثوقية والفعالية من حيث التكلفة. يتضمن البديل الفعال دمج مقاومات التجويف في الزنبركات لاكتشاف التشوه، وبالتالي استنتاج الانحراف؛ ومع ذلك، فإن هذا يتطلب خطوات تصنيع إضافية. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حساسيات عالية بشكل استثنائي، يتم استخدام اكتشاف النفق الكمي، على الرغم من أن هذه العملية المتخصصة تزيد تكاليف التصنيع بشكل كبير. علاوة على ذلك، تم إثبات تقنيات القياس البصري بنجاح في النماذج الأولية المعملية.
تشتمل الفئة المميزة من مقاييس التسارع المستندة إلى MEMS على مقاييس تسارع حرارية أو حرارية. تتضمن هذه الأجهزة سخانًا صغيرًا داخل هيكل قبة مدمج. يعمل هذا السخان على رفع درجة حرارة الهواء أو السوائل الأخرى الموجودة داخل القبة. تعمل الفقاعة الحرارية الناتجة ككتلة إثبات. يقوم مستشعر درجة الحرارة المتكامل، مثل الثرمستور أو النوافير الحرارية، بمراقبة درجة الحرارة عند نقطة محددة داخل القبة. يحدد هذا القياس بشكل فعال موضع الفقاعة الساخنة داخل القبة. عند تسارع القبة، يقوم السائل الأبرد والأكثر كثافة بإزاحة الفقاعة الساخنة. ونتيجة لذلك، تتقلب درجة الحرارة المقاسة. ومن ثم يرتبط هذا التغير في درجة الحرارة بالتسارع. يوفر السائل نفسه التخميد اللازم. تحاكي قوى الجاذبية المؤثرة على السائل آلية الزنبرك. ونظرًا لأن كتلة الإثبات عبارة عن غاز خفيف الوزن للغاية، وغير مقيد بالحزم أو الرافعات، فإن مقاييس التسارع الحرارية تظهر مرونة استثنائية في مواجهة أحمال الصدمات العالية. يستخدم التصميم البديل سلكًا واحدًا لتسخين الغاز واستشعار التغيرات في درجة الحرارة. تعمل تقلبات درجات الحرارة على تعديل المقاومة الكهربائية لهذا السلك بشكل مباشر. يمكن تصنيع مقياس تسارع ثنائي الأبعاد بطريقة فعالة من حيث التكلفة باستخدام قبة واحدة، وفقاعة واحدة، وجهازي قياس متميزين.
تعمل غالبية مقاييس التسارع الميكانيكية الدقيقة في المستوى، مما يعني أن تصميمها يقيد الحساسية لاتجاه واحد داخل مستوى القالب. إن دمج جهازين من هذا القبيل بشكل متعامد على قالب واحد يتيح إنشاء مقياس تسارع ثنائي المحور. يؤدي تضمين جهاز خارج الطائرة إضافي إلى تسهيل القياس ثلاثي المحاور. يمكن لهذا التكوين المتكامل أن يقلل بشكل كبير من أخطاء المحاذاة الخاطئة مقارنة بتجميع ثلاثة نماذج منفصلة منفصلة بعد التغليف.
يتم تصنيع مقاييس التسارع الميكانيكية الدقيقة بنطاقات قياس متنوعة، قادرة على اكتشاف تسارعات تصل إلى عدة آلاف g. يجب على المصممين الموازنة بين حساسية المستشعر والحد الأقصى للتسارع القابل للقياس.
التطبيقات
الهندسة
يتم استخدام مقاييس التسارع لقياس تسارع السيارة. كما أنها تعمل على مراقبة الاهتزازات في السيارات والآلات والمباني وأنظمة التحكم في العمليات ومنشآت السلامة. علاوة على ذلك، تسهل هذه الأجهزة قياس النشاط الزلزالي، والميل، واهتزاز الآلة، والمسافة الديناميكية والسرعة، بغض النظر عن تأثير الجاذبية. عند تكوينها خصيصًا لقياس الجاذبية، يُطلق على مقاييس التسارع المصممة لقياس الجاذبية اسم مقاييس الجاذبية.
علم الأحياء
تشهد مقاييس التسارع اعتمادًا متزايدًا في العلوم البيولوجية. تتيح التسجيلات عالية التردد للتسارع ثنائي المحور أو ثلاثي المحاور التمييز بين الأنماط السلوكية في الحيوانات التي لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر. علاوة على ذلك، تسمح بيانات التسارع للباحثين بقياس إنفاق الحيوان على الطاقة في البيئات الطبيعية، إما من خلال تقييم تردد ضربات الأطراف أو مقاييس مثل التسارع الديناميكي العام للجسم. وقد اعتنق علماء البحار هذه المنهجيات في الغالب، وذلك بسبب التحديات المتمثلة في المراقبة البصرية المباشرة للحيوانات البرية؛ ومع ذلك، فإن عددًا متزايدًا من علماء الأحياء الأرضية يستخدمون الآن تقنيات مماثلة. على سبيل المثال، لعبت مقاييس التسارع دورًا أساسيًا في التحقق من إنفاق طاقة الطيران لطائر هاريس هوك (Parabuteo unicinctus). علاوة على ذلك، يستخدم الباحثون مقاييس التسارع في الهواتف الذكية لجمع واستخلاص الواصفات الميكانيكية الحيوية ذات الصلة بتمارين المقاومة. هناك اتجاه متزايد بين الباحثين لدمج مقاييس التسارع مع التقنيات التكميلية، مثل الكاميرات أو الميكروفونات، لتعزيز فهم سلوك الحيوانات في بيئاتها الطبيعية (على سبيل المثال، استراتيجيات صيد الوشق الكندي).
الصناعة
في السياقات الصناعية، يتم نشر مقاييس التسارع لمراقبة صحة الآلات، وتوفير بيانات مهمة عن الاهتزازات وتطورها الزمني في الأعمدة عند محامل المعدات الدوارة، بما في ذلك التوربينات والمضخات والمراوح والبكرات والضواغط، بالإضافة إلى اكتشاف أخطاء المحامل؛ إذا لم تتم معالجة هذه المشكلات، فقد تؤدي إلى إصلاحات باهظة الثمن. تتيح بيانات الاهتزاز التي يتم الحصول عليها من مقاييس التسارع للمستخدمين مراقبة الآلات بشكل مستمر وتحديد هذه الحالات الشاذة بشكل استباقي، وبالتالي منع الفشل الكارثي للمعدات الدوارة.
مراقبة المباني والإنشاءات
تُستخدم مقاييس التسارع على نطاق واسع في مراقبة الصحة الهيكلية (SHM) للمباني والجسور والبنية التحتية المدنية الأخرى، حيث تسجل الاستجابات الديناميكية لكل من الأحمال المحيطة والقسرية (على سبيل المثال، الرياح، وحركة مرور المركبات، والآلات التشغيلية، والأحداث الزلزالية). يستمد المهندسون الخصائص النموذجية - على وجه التحديد الترددات الطبيعية، ونسب التخميد، وأشكال الوضع - من سجلات الاهتزاز هذه، وكثيرًا ما يستخدمون تقنيات التحليل النموذجي التشغيلي (OMA) للهياكل الموجودة بالفعل في الخدمة. ويتم بعد ذلك تتبع هذه المعلمات المشتقة بمرور الوقت لتسهيل تقييم الحالة وتحسين النماذج الهيكلية.
في المناطق النشطة زلزاليًا، تنتج صفائف مقاييس التسارع المنتشرة داخل المباني والبنية التحتية الأخرى بيانات حركة قوية ضرورية لإجراء تقييمات فورية بعد الحدث وتحليلات شاملة للأداء على المدى الطويل. داخل الولايات المتحدة، يدير المشروع الوطني للحركة القوية (NSMP) التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية هذه المصفوفات الهيكلية وينشر سجلات البناء والإنشاءات من خلال مركز بيانات الحركة القوية الهندسية (CESMD).
تنظم المعايير الدولية الأجهزة وبروتوكولات جودة البيانات الخاصة ببناء قياسات الاهتزاز. وعلى وجه التحديد، تحدد المواصفة القياسية ISO 4866 المبادئ الأساسية لتقييم اهتزاز الهياكل الثابتة وتقييم آثارها بناءً على الاستجابة الهيكلية. في الوقت نفسه، يقدم المعيار ISO 10137 إرشادات إمكانية الخدمة للمباني والممرات، مع معالجة الاعتبارات المتعلقة بالإدراك البشري والمحتويات الداخلية والسلامة الهيكلية نفسها.
يعتمد اختيار تقنية مقياس التسارع على نطاق التردد والسعة المطلوبين. تُستخدم مقاييس التسارع الكهرضغطية بشكل متكرر في القياسات التي تتضمن ترددات وسعة أعلى. على العكس من ذلك، اكتسبت مقاييس تسارع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة منخفضة الضوضاء (MEMS) أهمية كبيرة في مراقبة الترددات المنخفضة للمباني والجسور، فضلاً عن عمليات النشر الكثيفة أو اللاسلكية، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى فعاليتها من حيث التكلفة وكفاءة الطاقة. تشير التقييمات الحديثة والتقدم التكنولوجي إلى أن أجهزة MEMS المختارة بشكل مناسب يمكنها تحديد المعلمات النموذجية لمراقبة الصحة الهيكلية (SHM) بدقة وقد تم دمجها بنجاح في عقد أجهزة استشعار لاسلكية عالية الحساسية.
تسهل منهجيات أجهزة الاستشعار الذكية المتصلة بالشبكة واللاسلكية المراقبة الموزعة والقابلة للتطوير. تسلط المراجعات الشاملة الضوء على الانتقال من أنظمة مراقبة الصحة الهيكلية السلكية إلى اللاسلكية التقليدية (SHM) وتؤكد على التطور المتزايد لشبكات الاستشعار الذكية اللاسلكية لتطبيقات مثل تحديد وسائط الاهتزاز المحيط واتجاه الأداء المستمر.
يتم دمج مقاييس التسارع بشكل متكرر مع أنواع أجهزة الاستشعار الأخرى لتعزيز تقدير الإزاحة والانجراف، خاصة بالنسبة للهياكل الموسعة أو المرنة. توفر الأنظمة العالمية للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بيانات عن الحركة شبه الثابتة والمنخفضة التردد للغاية، والتي تكمل بشكل فعال المعلومات الديناميكية المشتقة من مقياس التسارع. تشير الأبحاث الحديثة إلى أنه يمكن تحقيق استرجاع دقيق للإزاحة الديناميكية من خلال الجمع بين حلول عالية السرعة أو متعددة الشبكات العالمية لسواتل الملاحة وبيانات مقياس التسارع.
بالإضافة إلى الأصول المُجهزة بشكل دائم، قام الباحثون بالتحقيق في استراتيجيات المراقبة غير المباشرة والتعهيد الجماعي باستخدام مقاييس تسارع الهواتف الذكية، خاصة بالنسبة لهياكل الجسور. تظهر الدراسات أن الترددات المشروطة، وأحيانًا خصائص الاهتزاز المكاني، يمكن استخلاصها من بيانات مقياس التسارع التي تحصل عليها المركبات التي تعبر الجسور. يقدم هذا النهج منهجية فحص تكميلية وفعالة من حيث التكلفة للمخزونات واسعة النطاق. علاوة على ذلك، قامت التحقيقات ذات الصلة بتقييم مراقبة الاهتزازات المحيطة بالمباني باستخدام الهواتف الذكية.
تمثل العديد من دراسات الحالة طويلة المدى عمليات نشر واسعة النطاق لمراقبة الصحة الهيكلية (SHM). قام نظام مراقبة صحة الرياح والهياكل في هونغ كونغ (WASHMS) بمراقبة جسر تسينغ ما بشكل مستمر منذ عام 1997، مع المنشورات اللاحقة التي توضح تفاصيل عقود من البيانات حول الأحمال والاستجابة الهيكلية أثناء التشغيل. يتميز معبر كوينزفيري في اسكتلندا بنظام SHM واسع النطاق يتضمن آلاف أجهزة الاستشعار، ويُقال أيضًا أن جسر ميناء سيدني مجهز بآلاف من أجهزة الاستشعار للمراقبة في الوقت الفعلي.
يتم استخدام بيانات مراقبة الصحة الهيكلية (SHM) لتتبع الحالة المستمرة، والتقييمات الناجمة عن الأحداث (مثل تقييمات ما بعد الزلزال)، ولإبلاغ قرارات إدارة الأصول. في إطار هندسة الجسور، تفصل الإرشادات الصادرة عن وكالات النقل تفاصيل تكامل البيانات الميدانية، بما في ذلك قياسات مقياس التسارع، مع تقنيات الفحص والتقييم غير المدمرة لتعزيز موثوقية تصنيف الأحمال وتحسين تخطيط الصيانة.
التطبيقات الطبية
يشتمل جهاز AED Plus من Zoll على CPR-D•padz، المجهز بمقياس تسارع لقياس عمق ضغطات الصدر بدقة أثناء الإنعاش القلبي الرئوي (CPR).
في السنوات الأخيرة، قامت العديد من الشركات بتطوير وتسويق ساعات رياضية للعدائين التي تدمج قواعد القدم التي تحتوي على مقاييس التسارع. تساعد هذه الأجهزة في تحديد سرعة مرتديها والمسافة التي يقطعها.
تعمل الحكومة البلجيكية بنشاط على الترويج لعدادات الخطوات المعتمدة على مقياس التسارع كمبادرة للصحة العامة، وتشجيع المواطنين على تحقيق هدف يومي يتمثل في عدة آلاف من الخطوات.
يستخدم جهاز Herman Digital Trainer مقاييس التسارع لتحديد قوة الضربة أثناء أنظمة التدريب البدني.
تم اقتراح دمج مقاييس التسارع في خوذات كرة القدم لتحديد قوى التأثير الناتجة عن اصطدامات الرأس. قام مختبر أبحاث الجيش الأمريكي بتطوير مفتاح تسريع ثلاثي المحاور، والذي تم اقتراحه لهذا التطبيق المحدد.
تم استخدام مقاييس التسارع لحساب معلمات المشي، بما في ذلك مراحل الوقوف والتأرجح. تنطبق تقنية الاستشعار هذه على قياس ومراقبة الحركة البشرية.
الملاحة
يعمل نظام الملاحة بالقصور الذاتي كمساعد ملاحي، حيث يستخدم جهاز كمبيوتر وأجهزة استشعار للحركة (مقاييس التسارع) لتحديد الموقع والاتجاه والسرعة الاتجاهية وسرعة الجسم المتحرك بشكل مستمر، من خلال الحساب الميت، بشكل مستقل عن النقاط المرجعية الخارجية. تشمل المصطلحات ذات الصلة أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي، والمنصات المرجعية بالقصور الذاتي، والعديد من التسميات الأخرى.
مقياس التسارع وحده غير كافٍ لقياس تغيرات الارتفاع بدقة عبر مسافات رأسية كبيرة حيث يكون توهين الجاذبية واضحًا، كما لوحظ في تطبيقات الفضاء الجوي مثل الطائرات والصواريخ. عند وجود تدرج الجاذبية، تظهر إجراءات المعايرة وتقليل البيانات المرتبطة بها عدم استقرار رقمي.
النقل
يتم استخدام مقاييس التسارع لاكتشاف الأوج في سياقات الصواريخ الاحترافية والهواة.
تم أيضًا دمج مقاييس التسارع في بكرات الضغط الذكي (IC). علاوة على ذلك، تعمل مقاييس التسارع جنبًا إلى جنب مع الجيروسكوبات في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي.
يتم دمج مقاييس تسارع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) بشكل متكرر في أنظمة نشر الوسائد الهوائية في السيارات المعاصرة. وهنا، تحدد هذه المستشعرات التسارع السلبي المفاجئ، وبالتالي التأكد من حدوث الاصطدام وشدته. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم أنظمة التحكم الإلكتروني بالثبات مقاييس التسارع الجانبية لقياس قوى الانعطاف. أدى الاعتماد الواسع النطاق لمقاييس التسارع في قطاع السيارات إلى خفض تكاليف التصنيع بشكل كبير. يتضمن تطبيق آخر للسيارات مراقبة الضوضاء والاهتزاز والخشونة (NVH)، وهي ظروف تضر براحة السائق والركاب ويمكن أن تشير إلى أعطال ميكانيكية أساسية.
تستخدم أنظمة القطار المائل مقاييس التسارع والجيروسكوبات لحساب زاوية الميل المثالية.
علم البراكين
تم دمج مقاييس التسارع الإلكترونية المعاصرة في أجهزة الاستشعار عن بعد المصممة لمراقبة البراكين النشطة، مما يسهل اكتشاف حركة الصهارة.
الإلكترونيات الاستهلاكية
يتم دمج مقاييس التسارع تدريجيًا في الأجهزة الإلكترونية الشخصية للتأكد من اتجاه الجهاز، مثل ضبط شاشة العرض.
يشكل مستشعر السقوط الحر (FFS) مقياس تسارع مصممًا لتحديد الحالات التي يتعرض فيها النظام لحالة السقوط أو السقوط الحر. بعد ذلك، يمكن أن يبدأ إجراءات وقائية، مثل إيقاف رأس القراءة/الكتابة على القرص الصلب، وبالتالي التخفيف من خطر اصطدام الرأس وما يترتب على ذلك من فقدان البيانات عند الاصطدام. تم دمج هذه التقنية في العديد من منتجات الكمبيوتر والمنتجات الإلكترونية الاستهلاكية السائدة من شركات مصنعة متنوعة. علاوة على ذلك، يتم استخدام وحدات FFS في بعض أجهزة تسجيل البيانات للإشراف على التعامل مع حاويات الشحن. يتم استخدام مدة السقوط الحر لحساب ارتفاع السقوط ولتقريب قوة التأثير التي تتعرض لها العبوة.
إدخال الحركة
يتم دمج مقاييس التسارع في بعض الهواتف الذكية ومشغلات الصوت الرقمية والمساعدين الرقميين الشخصيين لتسهيل التحكم في واجهة المستخدم. في كثير من الأحيان، تعمل هذه المستشعرات على تمكين عرض المحتوى إما في الاتجاه الأفقي أو العمودي، والتكيف مع وضع التثبيت الفعلي للجهاز. قامت شركة Apple بدمج مقاييس التسارع باستمرار في جميع أجيال أجهزة iPhone وiPad وiPod touch، جنبًا إلى جنب مع كل طراز iPod nano بدءًا من الجيل الرابع وما بعده. بالإضافة إلى ضبط اتجاه العرض، يمكن لمقاييس التسارع في الأجهزة المحمولة أن تعمل بمثابة عدادات للخطى عند إقرانها بتطبيقات معينة.
تعمل أنظمة التنبيه التلقائي للاصطدام (ACN) أيضًا على الاستفادة من مقاييس التسارع لبدء مكالمات المساعدة في حالات الطوارئ بعد وقوع حادث سيارة. تشمل تطبيقات ACN البارزة خدمة OnStar ACN، ومساعد Ford Link's 911، وToyota's Safety Connect، وLexus Link، وBMW Assist. علاوة على ذلك، توفر العديد من الهواتف الذكية المجهزة بمقاييس التسارع برنامج ACN قابلاً للتنزيل. يتم تنشيط أنظمة ACN عند اكتشاف التسارع الذي يشير إلى حدوث تصادم.
ضمن أنظمة التحكم الإلكتروني في ثبات السيارة (ESC)، يتم استخدام مقاييس التسارع لقياس حركة السيارة في الوقت الفعلي. وتقوم وحدة المعالجة المركزية بعد ذلك بمقارنة هذه الحركة الفعلية مع توجيه السائق ومدخلات دواسة الوقود. يمكن لجهاز الكمبيوتر ESC تطبيق الفرامل بشكل انتقائي على العجلات الفردية أو تقليل قوة المحرك لتخفيف التناقضات بين أوامر السائق والاستجابة الديناميكية للمركبة. يساعد هذا التدخل في منع انزلاق السيارة أو انقلابها.
تشتمل بعض عدادات الخطى على مقاييس تسارع لتحقيق دقة أكبر في قياس عدد الخطوات والمسافة المقطوعة مقارنة بأجهزة الاستشعار الميكانيكية التقليدية.
تشتمل وحدة تحكم ألعاب الفيديو Nintendo Wii على وحدة تحكم Wii Remote، والتي تتميز بمقياس تسارع ثلاثي المحاور مصمم بشكل أساسي للإدخال القائم على الحركة. يمكن للمستخدمين أيضًا الحصول على ملحق Nunchuk اختياري حساس للحركة، مما يتيح التقاط مدخلات الحركة المستقلة من كلتا اليدين. يتم تطبيق هذه التقنية أيضًا في نظام Nintendo 3DS.
تستخدم منبهات مرحلة النوم مستشعرات قياس التسارع لمراقبة حركات النائم، مما يسهل الاستيقاظ أثناء مراحل النوم غير حركة العين السريعة من أجل إثارة أكثر لطفًا وفعالية.
تسجيل صوتي
تعمل الميكروفونات وطبلة الأذن كأغشية تتفاعل مع التقلبات في ضغط الهواء. وبما أن هذه التذبذبات تحفز التسارع، فيمكن استخدام مقاييس التسارع لتسجيل الصوت. أظهرت دراسة أجريت عام 2012 أن مقاييس التسارع، مثل تلك المدمجة في الهواتف الذكية والمثبتة على عظمة القص، يمكنها اكتشاف الأصوات في 93% من السيناريوهات اليومية الشائعة.
على العكس من ذلك، تتمتع الأصوات المصممة بدقة بالقدرة على حث مقاييس التسارع على توليد بيانات خاطئة. كشفت دراسة لتقييم 20 نموذجًا من مقاييس تسارع الهواتف الذكية ذات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) أن معظمها كان عرضة لمثل هذا التلاعب.
استشعار الاتجاه
تستخدم العديد من أجهزة القرن الحادي والعشرين مقاييس التسارع لضبط اتجاه الشاشة استنادًا إلى المحاذاة الفعلية للجهاز، مما يسهل الانتقال بين الوضعين الرأسي والأفقي. هذه الوظيفة شائعة في العديد من أجهزة الكمبيوتر اللوحية، وبعض الهواتف الذكية، والكاميرات الرقمية. ومن الجدير بالذكر أن جهاز Amida Simputer، وهو جهاز Linux محمول تم تقديمه في عام 2004، كان أول جهاز محمول تجاري يدمج مقياس التسارع المدمج. وقد أتاح هذا التكامل العديد من التفاعلات القائمة على الإيماءات، مثل تقليب الصفحات، وتكبير الصورة، وتبديل الأوضاع، والعديد من الألعاب الأساسية التي يتم التحكم فيها عن طريق الإيماءات.
بحلول يناير 2009، كانت جميع الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية التي تم إصدارها حديثًا تقريبًا تتضمن على الأقل مستشعرًا للإمالة، وفي كثير من الأحيان مقياس تسارع، لتمكين التدوير التلقائي للصورة، والألعاب المصغرة الحساسة للحركة، وتصحيح الاهتزاز أثناء التصوير الفوتوغرافي.
تثبيت الصورة
تستفيد كاميرات الفيديو من مقاييس التسارع لتثبيت الصورة، وتحقيق ذلك إما عن طريق ضبط العناصر البصرية فعليًا للتعويض عن الحركات غير المقصودة في مسار الضوء إلى المستشعر، أو عن طريق تحويل الصورة رقميًا لتخفيف الحركة المكتشفة. تستخدم بعض الكاميرات الثابتة مقاييس التسارع لالتقاط الصور بشكل مضاد للتشويش، مما يؤدي إلى تأخير التقاط الصورة عند اكتشاف حركة الكاميرا. يتم التقاط الصورة فقط عندما تكون الكاميرا ثابتة، حتى ولو للحظات (على سبيل المثال، أثناء الاهتزاز). إن تطبيق Glogger VS2، وهو تطبيق هاتف متوافق مع الهواتف التي تعمل بنظام Symbian والذي يتميز بمقاييس تسارع مثل Nokia N96، يجسد هذه التقنية. علاوة على ذلك، تشتمل بعض الكاميرات الرقمية على مقاييس تسارع للتأكد من اتجاه الصورة أثناء الالتقاط ولتسهيل تدوير الصورة أثناء المشاهدة.
سلامة الجهاز
تدمج العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة مقاييس التسارع لاكتشاف حالات السقوط. عند اكتشاف أي سقوط، يتم إيقاف رؤوس القرص الصلب تلقائيًا لمنع فقدان البيانات والضرر المحتمل للرؤوس أو القرص الناتج عن التأثير اللاحق.
قياس الجاذبية
مقياس الجاذبية، المعروف أيضًا باسم مقياس الجاذبية، هو أداة تستخدم في قياس الجاذبية لقياس مجال الجاذبية المحلي. على الرغم من أنها في الأساس نوع من أجهزة قياس التسارع، إلا أن أجهزة قياس الجاذبية تميز نفسها عن طريق دمج عزل الاهتزاز المتكامل ومعالجة الإشارات لمواجهة حساسية مقاييس التسارع القياسية لجميع أشكال التسارع التذبذبي، بما في ذلك الضوضاء. على الرغم من مشاركة مبدأ التصميم الأساسي المماثل مع مقاييس التسارع، فقد تم تصميم مقاييس الجاذبية بحيث تتمتع بحساسية أعلى بكثير، مما يتيح اكتشاف الاختلافات الدقيقة في جاذبية الأرض، وصولاً إلى 1 g. على العكس من ذلك، تم تصميم العديد من مقاييس التسارع الأخرى لقياس مقادير تبلغ 1000 g أو أكبر، وغالبًا ما تؤدي قياسات متعددة المحاور. عادةً ما تكون لمقاييس الجاذبية متطلبات دقة زمنية أقل صرامة، مما يسمح بتحسين الدقة من خلال معالجة المخرجات باستخدام "ثابت زمني" ممتد.
أنواع مقياس التسارع
برامج استغلال الثغرات والمخاوف المتعلقة بالخصوصية
لقد تم استغلال بيانات مقياس التسارع، التي يمكن الوصول إليها بشكل متكرر عن طريق تطبيقات الطرف الثالث على العديد من الأجهزة المحمولة دون تصريح صريح من المستخدم، لاستنتاج معلومات شاملة للمستخدم من خلال تحليل أنماط الحركة المسجلة. يمكن أن تشمل هذه البيانات المستنتجة تفاصيل مثل سلوك القيادة، ومستويات التسمم، والعمر، والجنس، والتفاعلات مع شاشة اللمس، والإحداثيات الجغرافية. عندما يتم إجراء مثل هذه الاستقطاعات دون وعي المستخدم أو موافقته، يتم تصنيف هذه الممارسة على أنها هجوم استدلالي. علاوة على ذلك، من المحتمل أن يكون عدد كبير من الهواتف الذكية عرضة لاستغلال البرامج من خلال التلاعب بقراءات مقياس التسارع.