مقياس التسارع

يمكن استخدام مقاييس التسارع لقياس تسارع المركبات. كما يمكن استخدامها لقياس الاهتزازات في السيارات والآلات والمباني وأنظمة التحكم في العمليات ومنشآت السلامة. ويمكن استخدامها أيضًا لقياس النشاط الزلزالي ، والميل، واهتزاز الآلات، والمسافة الديناميكية، والسرعة، سواءً بوجود الجاذبية أو بدونها. وتُسمى تطبيقات مقاييس التسارع التي تقيس الجاذبية، حيث يُصمم مقياس التسارع خصيصًا للاستخدام في قياس الجاذبية ، بمقاييس الجاذبية .

تُستخدم مقاييس التسارع بشكل متزايد في العلوم البيولوجية. تسمح التسجيلات عالية التردد للتسارع ثنائي المحور ^{[ 8 ]} أو ثلاثي المحاور ^{[ 9 ]} بتمييز الأنماط السلوكية للحيوانات عندما تكون بعيدة عن الأنظار. علاوة على ذلك، تُمكّن تسجيلات التسارع الباحثين من تحديد معدل استهلاك الحيوان للطاقة في بيئته الطبيعية، إما عن طريق تحديد تردد ضربات الأطراف ^{[ 10 ]} أو قياسات مثل التسارع الديناميكي الكلي للجسم ^{[ 11 ].} وقد اعتمد علماء الأحياء البحرية هذه الأساليب في الغالب نظرًا لعدم قدرتهم على دراسة الحيوانات في بيئتها الطبيعية باستخدام الملاحظات البصرية، إلا أن عددًا متزايدًا من علماء الأحياء البرية يتبنون أساليب مماثلة. على سبيل المثال، استُخدمت مقاييس التسارع لدراسة استهلاك طاقة الطيران لدى صقر هاريس ( Parabuteo unicinctus ) ^{[ 12 ]} . كما يستخدم الباحثون مقاييس التسارع في الهواتف الذكية لجمع واستخلاص المؤشرات الميكانيكية الحيوية لتمارين المقاومة. ^{[ 13 ]} يتزايد استخدام الباحثين لأجهزة قياس التسارع مع تقنيات إضافية، مثل الكاميرات أو الميكروفونات، لفهم سلوك الحيوانات في البرية بشكل أفضل (على سبيل المثال، سلوك الصيد لدى الوشق الكندي ^{[ 14 ]} ).

تُستخدم مقاييس التسارع أيضًا لمراقبة حالة الآلات، حيث تُسجّل الاهتزازات وتغيراتها مع مرور الوقت في أعمدة محامل المعدات الدوارة، مثل التوربينات والمضخات ^{[ 15 ]} والمراوح ^{[ 16 ]} والبكرات ^{[ 17 ]} والضواغط ^{[ 18 ] [ 19 ]} ، أو أعطال المحامل ^{[ 20 ]} التي قد تؤدي، في حال عدم معالجتها فورًا، إلى تكاليف إصلاح باهظة. تُمكّن بيانات اهتزازات مقياس التسارع المستخدم من مراقبة الآلات واكتشاف هذه الأعطال قبل تعطل المعدات الدوارة تمامًا.

تُستخدم مقاييس التسارع على نطاق واسع في مراقبة السلامة الإنشائية للمباني والجسور وغيرها من البنى التحتية المدنية لتسجيل الاستجابة الديناميكية تحت تأثير الأحمال المحيطة والقسرية (مثل الرياح وحركة المرور والآلات والزلازل). ومن خلال سجلات الاهتزاز هذه، يُقدّر المهندسون الخصائص النمطية - الترددات الطبيعية ونسب التخميد وأشكال الأنماط - باستخدام تقنيات تحليل الأنماط التشغيلية (OMA) في كثير من الأحيان للهياكل قيد التشغيل. ويتم تتبع هذه المعايير بمرور الوقت لتقييم الحالة وتحديث النموذج. ^{[ 21 ]}

في المناطق المعرضة للزلازل، توفر مصفوفات مقاييس التسارع المثبتة في المباني والمنشآت الأخرى بيانات الحركة القوية لإجراء تقييمات سريعة بعد وقوع الزلزال ودراسات أداء طويلة الأجل. في الولايات المتحدة، يدير مشروع الحركة القوية الوطني التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (NSMP) مصفوفات هيكلية ويوزع سجلات المباني والمنشآت عبر مركز بيانات الحركة القوية الهندسية (CESMD). ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تُسترشد ممارسات أجهزة القياس وجودة البيانات المستخدمة في قياسات اهتزازات المباني بالمعايير الدولية. يوفر معيار ISO 4866 مبادئ لقياس اهتزازات المنشآت الثابتة وتقييم آثار الاهتزاز بناءً على استجابة المنشأة، بينما يقدم معيار ISO 10137 توصيات بشأن صلاحية المباني والممرات للاستخدام فيما يتعلق بالإدراك البشري والمحتويات والمنشأة نفسها. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يعتمد اختيار تقنية مقياس التسارع على نطاق التردد والسعة. تُستخدم مقاييس التسارع الكهروإجهادية عادةً لقياسات الترددات العالية والسعات العالية، بينما أصبحت مقاييس التسارع الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) منخفضة الضوضاء جذابةً لمراقبة المباني والجسور منخفضة التردد، وللنشر الكثيف أو اللاسلكي نظرًا لمزاياها من حيث التكلفة واستهلاك الطاقة. تُظهر التقييمات والتطورات الحديثة أن أجهزة MEMS المختارة بعناية قادرة على تحديد معلمات الأنماط بدقة مقبولة لأنظمة مراقبة صحة الهياكل (SHM)، وقد تم دمجها في عقد لاسلكية عالية الحساسية. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

تتيح أساليب الاستشعار الذكية المتصلة بالشبكة واللاسلكية مراقبة موزعة على نطاق واسع. وتوثق الدراسات التحول من أنظمة مراقبة صحة الهياكل السلكية إلى اللاسلكية، ونضوج شبكات الاستشعار الذكية اللاسلكية لمهام مثل تحديد أنماط الاهتزاز المحيطي والتحليل المستمر للاتجاهات. ^{[ 29 ] [ 26 ]}

غالبًا ما تُدمج مقاييس التسارع مع مستشعرات أخرى لتحسين تقدير الإزاحة والانحراف، لا سيما في الهياكل الكبيرة أو المرنة. يوفر نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بيانات حركة شبه ثابتة ومنخفضة التردد تُكمّل ديناميكيات مقاييس التسارع؛ وتشير دراسات حديثة إلى إمكانية استرجاع الإزاحة الديناميكية بدقة باستخدام حلول عالية السرعة أو حلول متعددة لأنظمة GNSS مُدمجة مع مقاييس التسارع. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

إلى جانب الأصول المجهزة بأجهزة قياس دائمة، تم استكشاف مناهج غير مباشرة وأخرى تعتمد على التعهيد الجماعي باستخدام مقاييس التسارع في الهواتف الذكية، لا سيما فيما يتعلق بالجسور. وقد أظهرت الأبحاث إمكانية تقدير الترددات النمطية - وفي بعض الحالات خصائص الاهتزاز المكاني - من بيانات مقاييس التسارع التي تجمعها المركبات العابرة للجسور، مما يوفر أداة فحص تكميلية منخفضة التكلفة للجردات الكبيرة. كما قيّمت دراسات ذات صلة مراقبة الاهتزاز المحيطي للمباني باستخدام الهواتف الذكية. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

تُقدّم دراسات الحالة طويلة الأمد أمثلةً على عمليات النشر واسعة النطاق. ففي هونغ كونغ، زُوّد جسر تسينغ ما بنظام مراقبة صحة الرياح والهياكل (WASHMS) منذ عام 1997؛ وتشير منشورات لاحقة إلى عقود من مراقبة الأحمال والاستجابة أثناء التشغيل. كما زُوّد جسر كوينزفيري كروسينغ في اسكتلندا بنظام شامل لمراقبة صحة الهياكل يضم آلاف أجهزة الاستشعار، وأُفيد أيضاً أن جسر ميناء سيدني مُجهّز بآلاف أجهزة الاستشعار للمراقبة الآنية. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

تُستخدم بيانات نظام مراقبة صحة الهياكل (SHM) لتتبع الحالة بشكل مستمر، وإجراء تقييمات عند وقوع أحداث معينة (مثل الزلازل)، ودعم قرارات إدارة الأصول. في هندسة الجسور، توضح إرشادات هيئات النقل كيفية دمج البيانات الميدانية - بما في ذلك قياسات مقياس التسارع - مع عمليات الفحص والتقييم غير المتلف لتحسين موثوقية تصنيف الأحمال وتخطيط الصيانة. ^{[ 39 ]}

يستخدم جهاز Zoll's AED Plus وسادات CPR-D•padz التي تحتوي على مقياس تسارع لقياس عمق ضغطات الصدر أثناء الإنعاش القلبي الرئوي.

خلال السنوات القليلة الماضية، قامت العديد من الشركات بإنتاج وتسويق ساعات رياضية للعدائين تتضمن أجهزة استشعار القدم ، والتي تحتوي على مقاييس تسارع للمساعدة في تحديد السرعة والمسافة للعداء الذي يرتدي الجهاز.

في بلجيكا، تروج الحكومة لأجهزة عد الخطوات التي تعتمد على مقياس التسارع لتشجيع الناس على المشي بضعة آلاف من الخطوات كل يوم.

يستخدم جهاز التدريب الرقمي من هيرمان مقاييس التسارع لقياس قوة الضربة في التدريب البدني. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

اقترح البعض تصميم خوذات كرة القدم مزودة بمقاييس تسارع لقياس تأثير اصطدامات الرأس. ^{[ 42 ]} وقد طور مختبر أبحاث الجيش الأمريكي مفتاح التسارع ثلاثي المحاور الذي تم اقتراحه لهذا التطبيق.

استُخدمت مقاييس التسارع لحساب معايير المشي ، مثل مرحلتي الوقوف والتأرجح. ويمكن استخدام هذا النوع من المستشعرات لقياس أو مراقبة الأشخاص. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

نظام الملاحة بالقصور الذاتي هو أداة مساعدة للملاحة تستخدم الحاسوب ومستشعرات الحركة (مقاييس التسارع) لحساب موقع واتجاه وسرعة جسم متحرك بشكل مستمر، وذلك عن طريق التقدير الملاحي ، دون الحاجة إلى مراجع خارجية. وتشمل المصطلحات الأخرى المستخدمة للإشارة إلى أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي أو الأجهزة ذات الصلة الوثيقة بها: نظام التوجيه بالقصور الذاتي، ومنصة المرجع بالقصور الذاتي، وغيرها الكثير.

لا يُعدّ مقياس التسارع وحده مناسبًا لتحديد تغيرات الارتفاع على مسافات يكون فيها الانخفاض الرأسي للجاذبية كبيرًا، كما هو الحال في الطائرات والصواريخ. في وجود تدرج جاذبي، تصبح عملية المعايرة ومعالجة البيانات غير مستقرة عدديًا. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

تُستخدم مقاييس التسارع للكشف عن نقطة الأوج في كل من علم الصواريخ الاحترافي ^{[ 47 ]} وعلم الصواريخ للهواة ^{[ 48 ]} .

تُستخدم مقاييس التسارع أيضًا في دحاسات الضغط الذكية. وتُستخدم مقاييس التسارع جنبًا إلى جنب مع الجيروسكوبات في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي. ^{[ 49 ]}

يُعدّ استخدام مقاييس التسارع بتقنية MEMS في أنظمة نشر الوسائد الهوائية للسيارات الحديثة من أكثر الاستخدامات شيوعًا . في هذه الحالة، تُستخدم مقاييس التسارع للكشف عن التسارع السلبي السريع للمركبة لتحديد وقت وقوع التصادم وشدته. ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى في السيارات أنظمة التحكم الإلكتروني بالثبات ، التي تستخدم مقياس تسارع جانبي لقياس قوى الانعطاف. وقد ساهم الانتشار الواسع لمقاييس التسارع في صناعة السيارات في خفض تكلفتها بشكل كبير. ^{[ 50 ]} ومن التطبيقات الأخرى في السيارات مراقبة الضوضاء والاهتزازات والخشونة (NVH)، وهي ظروف تُسبب عدم الراحة للسائقين والركاب، وقد تُشير أيضًا إلى وجود أعطال ميكانيكية.

تستخدم القطارات المائلة مقاييس التسارع والجيروسكوبات لحساب الميل المطلوب. ^{[ 51 ]}

تُستخدم مقاييس التسارع الإلكترونية الحديثة في أجهزة الاستشعار عن بعد المخصصة لمراقبة البراكين النشطة للكشف عن حركة الصهارة . ^{[ 52 ]}

يتم دمج مقاييس التسارع بشكل متزايد في الأجهزة الإلكترونية الشخصية للكشف عن اتجاه الجهاز، على سبيل المثال، شاشة العرض.

مستشعر السقوط الحر (FFS) هو مقياس تسارع يُستخدم للكشف عما إذا كان النظام قد سقط ويتعرض للسقوط. ويمكنه حينها تطبيق إجراءات أمان، مثل إيقاف رأس القرص الصلب مؤقتًا لمنع اصطدامه وفقدان البيانات الناتج عن ذلك. يُدمج هذا الجهاز في العديد من أجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الاستهلاكية الشائعة التي تنتجها شركات تصنيع متنوعة. كما يُستخدم في بعض مسجلات البيانات لمراقبة عمليات مناولة حاويات الشحن . ويُستخدم زمن السقوط الحر لحساب ارتفاع السقوط وتقدير قوة الصدمة التي تعرضت لها العبوة.

إدخال الحركة

تحتوي بعض الهواتف الذكية ومشغلات الصوت الرقمية والمساعدات الرقمية الشخصية على مقاييس تسارع للتحكم في واجهة المستخدم؛ وغالبًا ما يُستخدم مقياس التسارع لعرض شاشة الجهاز أفقيًا أو رأسيًا ، بناءً على طريقة إمساك الجهاز. وقد أضافت شركة آبل مقياس تسارع إلى كل جيل من أجهزة آيفون وآيباد وآيبود تاتش ، بالإضافة إلى كل جهاز آيبود نانو منذ الجيل الرابع. وإلى جانب تعديل اتجاه الشاشة، يمكن أيضًا استخدام مقاييس التسارع في الأجهزة المحمولة كعدادات خطوات ، بالاقتران مع تطبيقات متخصصة . ^{[ 53 ]}

تستخدم أنظمة الإبلاغ التلقائي عن التصادم (ACN) مقاييس التسارع لطلب المساعدة في حال وقوع حادث تصادم. ومن أبرز هذه الأنظمة: خدمة OnStar AACN، وخدمة Ford Link للمساعدة في حالات الطوارئ (911 Assist) ، وخدمة Toyota Safety Connect ، وخدمة Lexus Link ، وخدمة BMW Assist . كما يتوفر برنامج ACN للتحميل على العديد من الهواتف الذكية المزودة بمقاييس التسارع. ويتم تفعيل هذه الأنظمة عند رصد تسارع يُشير إلى قوة التصادم.

تُستخدم مقاييس التسارع في أنظمة التحكم الإلكتروني بالثبات في المركبات لقياس حركتها الفعلية. يقوم جهاز كمبيوتر بمقارنة هذه الحركة الفعلية مع مدخلات السائق من عجلة القيادة ودواسة الوقود. يستطيع كمبيوتر التحكم بالثبات كبح عجلات محددة بشكل انتقائي و/أو تقليل قوة المحرك لتقليل الفرق بين مدخلات السائق وحركة المركبة الفعلية، مما يساعد على منعها من الدوران أو الانقلاب.

تستخدم بعض عدادات الخطى مقياس التسارع لقياس عدد الخطوات التي تم اتخاذها والمسافة المقطوعة بدقة أكبر مما يمكن أن يوفره المستشعر الميكانيكي.

يستخدم جهاز ألعاب الفيديو Wii من نينتندو وحدة تحكم تُسمى Wii Remote ، تحتوي على مقياس تسارع ثلاثي المحاور، وقد صُممت أساسًا لإدخال الحركة. كما يُمكن للمستخدمين شراء ملحق إضافي حساس للحركة، وهو Nunchuk ، لتسجيل إدخال الحركة من كلتا اليدين بشكل مستقل. ويُستخدم هذا الجهاز أيضًا في نظام Nintendo 3DS .

تستخدم ساعات المنبه الخاصة بمراحل النوم مستشعرات التسارع لاكتشاف حركة النائم، بحيث يمكنها إيقاظ الشخص عندما لا يكون في مرحلة حركة العين السريعة، وذلك لتسهيل عملية إيقاظه. ^{[ 54 ]}

مقياس الجاذبية، أو مقياس التسارع، هو أداة تُستخدم في علم قياس الجاذبية لقياس مجال الجاذبية المحلي . وهو نوع من أنواع مقاييس التسارع، إلا أن مقاييس التسارع تتأثر بجميع الاهتزازات ، بما في ذلك الضوضاء ، التي تُسبب تسارعات تذبذبية. ويتم التغلب على هذه المشكلة في مقياس الجاذبية من خلال عزل الاهتزازات ومعالجة الإشارات بشكل متكامل . ورغم أن المبدأ الأساسي للتصميم هو نفسه في مقاييس التسارع، إلا أن مقاييس الجاذبية تُصمم عادةً لتكون أكثر حساسية بكثير من مقاييس التسارع لقياس التغيرات الطفيفة جدًا في جاذبية الأرض ، والتي تبلغ 1 g . في المقابل، تُصمم مقاييس التسارع الأخرى غالبًا لقياس 1000 g أو أكثر، ويُجري العديد منها قياسات متعددة المحاور. وعادةً ما تكون القيود المفروضة على الدقة الزمنية أقل في مقاييس الجاذبية، مما يسمح بزيادة الدقة من خلال معالجة المخرجات بثابت زمني أطول.