شتاب سنج خازنی

شتاب سنج خازنی یکی از دسته های متنوع شتاب سنج ها هستند. شتاب سنج خازنی بر مبنای تغییرات خازن متغیر کار می کنند. وقتی شتاب، صفحات خازن را جابجا می کند، یک تغییر قابل اندازه گیری در ظرفیت خازن رخ می دهد. پاسخ شتاب سنج های خازنی از نوع DC است، یعنی هم شتاب استاتیک هم شتاب دینامیک را می توان اندازه گیری کرد. [ ۱] از این حسگرها برای اندازه گیری ارتعاشات فرکانس پایین و شتاب حالت پایدار استفاده می شود. برخی از مزایای شتاب سنج خازنی شامل دقت بالا، حساسیت بالا، پاسخ مناسب به ورودی ثابت، عملکرد مناسب در برابر نویز، تغییر کم پارامترهای این شتاب سنج ها در طول زمان، حساسیت عرضی کم، حساسیت دمایی کم، افت توان پایین، اعمال نیروی فیدبک و سادگی ساختار مکانیکی آنها می باشد. پهنای باند این شتاب سنج خازنی به خاطر ویژگی های فیزیکی آنها محدود به چند صد هرتز است. شتاب سنج خازنی برای حرکت با فرکانس کم و اندازه گیری شتاب استاتیک مناسب است. برای اندازه گیری ارتعاش با فرکانس بالا باید از شتاب سنج های دیگر از جمله شتاب سنج پیزوالکتریک استفاده کرد. [ ۲]
نحوه عملکرد یک شتاب سنج خازنی را می توان با یک سیستم جرم - فنر - میراگر مدل سازی کرد. در این سیستم یک جرم متصل به میراگر و فنر داریم که با اعمال نیرو حرکت می کند. به جرم یک یا چند الکترود وصل شده است که با حرکت جرم آنها هم حرکت می کنند. به این الکترودها الکترودهای متغیر می گوییم. همچنین در مقابل الکترودهای متغیر الکترودهای ثابت قرار گرفته شده که در جای خود ثابت قرار گرفته است. این دو الکترودهای ثابت و متغیر تشکیل یک خازن را می دهد. ظرفیت خازن با فاصله بین دو الکترود رابطه عکس دارد. با جابجایی الکترود متغیر ظرفیت خازن تغییر می کند. تغییر ظرفیت خازن با استفاده مدارهای مناسب اندازه گیری می شود و به شتاب اعمالی نسبت داده می شود.
شتاب سنج های خازنی بیشتر با فناوری سامانه های میکروالکترومکانیکی ( MEMS ) ساخته می شوند. استفاده از فناوری MEMS برای ساخت شتاب سنج خازنی موجب افزایش دقت و حساسیت و کاهش هزینه های ساخته می شود. در شتاب سنج خازنی MEMS یک جرم معمولاً بزرگ داریم که از طریق چندین فنر به تکیه گاه وصل است و تکیه گاه ها به زیرلایه وصل هستند. فنرها به شکل های مختلفی ساخته می شوند و با طول، عرض و ضخامت فنر می توان ثابت فنر را کنترل کرد. جرم را نیز با ابعاد می توان کنترل کرد. شتاب سنج های خازنی به دو دسته شتاب سنج شانه ای و ساندویچی تقسیم می شوند. در شتاب سنج ساندویچی معمولاً یک جفت خازن تفاضلی ابعاد بزرگ داریم در حالی که شتاب سنج شانه ای تعداد خازن های تفاضلی زیاد ولی ابعاد خازن ها کوچک می باشند. میرایی غالب در این حسگرها مربوط به سیال اطراف حسگر است که در بیشتر موارد هوا می باشد و در برخی موارد خاص خلأ می باشد. [ ۳]