İvme Nasıl Ölçülür ?
İvme ölçmek için hazırlanmış bir aygıt olan ivmeölçerin, doğrusal ve açısal ivmeleri ölçen iki ayrı türü vardır. İvmeölçerler, otomobilin fren yapması sırasında ortaya çıkan kuvvet gibi negatif ivmeleri de ölçerler. Ayrıca,otomobil endüstrisinde hızlanma ve yavaşlama sırasındaki ivmeleri, viraj dönerken ortaya çıkan yatay ivmeleri ve bozuk yollarda ortaya çıkan düşey ivmeleri de ölçmede kullanılırlar.
Aygıtın kullanıldığı diğer yerler arasında, güvenlik kemerlerinin sağlamlık denetimi (belirli bir yük taşırken kemerin kopmasına yol açan kuvvetin ölçülmesi) ve gemi gövdeleri ile uçak kanatlarının ucunda oluşan titreşimlerin incelenmesi sayılabilir.
Doğrusal ivmeölçer, bir yaya asılı ve ancak yayın ekseni doğrultusunda, yani yayın tam ortasından geçen bir doğru boyunca, hareket eden bir cisimden oluşur. Bu eksen, ivmeölçerin duyarlı ekseni yayın gerginliği ile ucundaki cismin ağırlığı, duyarlı eksen doğrultusunda belirli bir kuvvet uygulandığı zaman, cismin belirli bir miktar hareket edeceği biçimde ayarlanmıştır. Cisim, bu hareketin miktarını gösteren bir göstergeye bağlanmıştır.
Gösterge, ivmeölçerin, ivmesi bilinen bir cismin üstüne yerleştirilip, ibrenin gösterdiği değerin işaretlenmesiyle ayarlanır. Bu işlem bilinen birçok değerle yinelenirse, konulan işaretlerin arası doldurularak, bütün gösterge işaretlenmiş olur.
Doğrusal ivme ölçümünde çeşitli birimler kullanılabilir. Orta büyüklükteki ivmeler, metre/saniye2(m/sn2) cinsinden ölçülür. Bu değer, cismin hızına, saniyede kaç metre eklendiğini gösterir. Açısal ivmeölçer de benzer bir ilkeye göre çalışır; ama açısal ivmeyi ölçebilmek için, değişik biçimde düzenlenmiştir. Açısal ivme, sözgelimi bir makinanın volanında görülebilir. Kütlesi bilinen cisim, burada sarmal bir yayın üstüne yerleştirilen bir disktir. İvme sonucunda dönen disk, yayı da döndürür. Açısal ivme de, m/sn2 ya da eşdeğeri cinsinden ölçülür. Ancak, ivmesi ölçülen cismin, dönme hareketinin merkezine olan uzaklığının da bilinmesi gerekir.
Bir akselerometre sadece görünen ivmeleri ölçmekle kalmaz aynı zamanda yer çekimi ivmesini de ölçebilir. Yani akselerometrenin ölçüm alabilmesi için cismin hızlanıyor veya yavaşlıyor olması gerekmemektedir. Akselerometreler birim kütle başına ağırlık ölçerler veya bilinen şekliyle özgül kuvvet veya g-kuvveti.
Çoğu akselerometreler ölçtükleri değeri gösteremezler ama başka cihazlara bilgi sağlarlar. Gerçek akselerometreler bir çalışma frekansına sahiptirler ve bu onları bir ivme değişimine ne kadar hızlı cevap verecekleri konusunda sınırlarlar.
Tek ve birden çok eksenli akselerometre modelleri mevcuttur, ivmenin büyüklüğünü ve yönünü vektörel bir büyüklük olarak ölçerler ve oryantasyon ölçümünde (çünkü ağırlığın yönü değişir) ve ivmelenme ölçümünde, titreşimde, darbede, ve düşme durumlarında kullanılabilirler.
Çalışma Prensibi
Konsept olarak, bir akselerometre kütle yay ve sönümden oluşan bir sistemdir. Sisteme ivmelenme uygulandığında yaya bağlı olan kütle ivmenin oluşturduğu kuvvetin etkisi ile yer değiştirir. Bu yer değiştirmenin ölçülmesi ile sistem üzerine uygulanan ivme elde edilir.
İvmeölçerlerin çalışmasında pek çok farklı yöntem kullanılmaktadır. Piezoelektrik olan akselerometreler, içerisinde bulundurduğu mikroskopik kristal yapı üzerinde ivmelenme oluştuğunda bir çıkış voltajı üretirler. Bunu yapmanın başka bir yolu da kapasitans ölçmektir. Eğer iki adet mikroyapı birbirine çok yakın bir şekilde duruyorsa, bunların arasında bilinen bir değerde kapasitans vardır. Bu yapılardan birinin üzerinde ivmelenme sonucu oluşan kuvveti uygulanırsa, mikroyapı yer değiştirir ve bu da kapasitansın değişmesine neden olur. Kapasitans voltaj değerine çevrildiğinde bir akselerometre elde edilmiş olur.
Modern akselerometreler genellikle mikro elektro-mekanik sistem olarak imal edilirler ve oldukça küçük boyutlardadırlar. Bir MEMS akselerometrenin yapısına ait şekil aşağıda gösterilmiştir. Gösterilen sistemde sönüm etkisi akselerometre içerisinde saklı tutulan gaz ile yapılmaktadır.
MEMS ivmeölçerler genellikle tek bir eksen üzerinde ivmelenme ölçecek şekilde imal edilirler. Birden fazla eksende ölçüm yapılmak istenirse bu ivmeölçerler birbirine dik eksenlerde bağlanılarak ölçüm alınır.
MEMS ivmeölçerlerin bir diğer özelliği çok büyük bir ölçüm aralığına sahip olmalarıdır. Binlerce g ölçebilecek yapıda ivmeölçerler mevcuttur. Bunun karşılığında düşük g durumlarında hassasiyet azalmaktadır. Bu yüzden akselerometre seçiminde hassasiyet maksimum g ölçümü arasında uygulamaya bağlı olarak bir seçim yapılmalıdır.
Akselerometre seçiminde dikkat edilmesi gereken noktalar
- Digital veya analog çıkışlı
- Eksen sayısı
- Eğim açısı
- Hassasiyet
- Bant genişliği
Dünya üzerindeki bir noktada sabit durumda bulunan bir akselerometrenin ölçeceği değer yaklaşık olarak 1 g ve yukarı yönlüdür, çünkü Dünya üzerindeki herhangi bir nokta yerel eksen takımına göre (yere doğru serbest düşüş yapmakta olan bir cisme yerleştirilmiş eksen takımı) yukarı yönde ivmelenmektedir. Harekete bağlı ivmelenme ölçülmek isteniyorsa, bu yerçekimi ofseti toplam ivmeden çıkarılmalıdır. Bu yüzden harekete bağlı ivmelenme ölçülecek ortamın yerçekimi ivmesinin bilinmesi gerekmektedir.
Kullanım Alanları
- Mühendislik
- Biyoloji
- Endüstri-Makine Sağlığı takibi
- Yapı sağlığı takibi
- Medikal uygulamalar
- Navigasyon
- Ulaşım
- Volkanların takibi
- Hareketle kontrol
- Oryantasyon ölçümü
- Görüntü stabilizasyonu