מד תאוצה

מד תאוצה (באנגלית: Accelerometer) הוא חיישן המשמש למדידת תאוצה קוויות.

מד תאוצה מספק את התאוצה אותה הוא חש בציר מסוים.

שילוב של שניים או שלושה מדי תאוצה באותה מערכת מאפשר מדידת התאוצה בשלוש דרגות חופש (שלושה צירים שונים).

המדיד משמש בתחומים רבים במדע ובתעשייה. מדי תאוצה רגישים במיוחד נמצאים במערכות ניווט אינרצאליות המשמשות מערכות אמל"ח, צוללות.

מד התאוצה מודד את התאוצה האינרציאלית בהתאם לחוק הראשון של ניוטון ללא השפעת כוח הכובד. בהתאם בנפילה חופשית ימדוד תאוצה אפס על אף שיאיץ כלפי הקרקע. וכאשר מד התאוצה נמצא במנוחה על פני השטח של כדור הארץ כאשר ציר המדידה מאונך לקרקע, ימדוד את בקירוב את הערך 9.81 (מטר לשנייה בריבוע) השווה בערכו לתאוצת כוח הכובד אך בכיוון הנגדי. הערך ימדד כתוצאה כוח נורמלי הפועל מהקרקע ומגיב לכח הכובד.

תיאור המנגנון

מנגנון הפעולה של מד תאוצה קפיץ

מנגנון מדידת התאוצה מושתת על עקרונות החוק השלישי של ניוטון.

נדמה את מד התאוצה לגוף המחובר בקפיץ. כאשר הגוף יאיץ לכיוון מסוים, הקפיץ ימתח בכיוון ההפוך באופן יחסי לתאוצה (על פי חוק הוק). את מרחק מתיחת הקפיץ ניתן למדוד (אורך הקפיץ אחרי המתיחה פחות אורך הקפיץ במצב רפוי) ולהמיר לגודל התאוצה שהקפיץ חווה בציר זה.

מדי תאוצה כיום אינם מבוססים קפיץ או מטוטלת אלא מבוססים על רכיבים אלקטרוניים זעירים ושימוש בהשפעות פיאזואלקטריות. עם זאת, עקרון פעולתם דומה: תנועה של גביש או נוזל ומדידת האפקט החשמלי הנוצר - עליה או ירידה במוליכות החשמלית, בזרם החשמלי או במתח החשמלי - באופן יחסי לתאוצה. מדי תאוצה מזעריים משתמשים בטכנולוגיית MEMS.

מדי תאוצה יכולים להפיק מדידה ישירה של תאוצה או מדידות תוספת (Increment) מהירות אשר מהווה אינטגרל על התאוצה הנמדדת בזמן מסוים, לדוגמה: מד תאוצה המפיק מדידות בתדר 100Hzへるつ ומודד את תאוצת הכובד בלבד יפיק מדידות של 9.81m/s² X 1/100s = 0.0981m/s.

שגיאות מדידה

ככל מדיד פיזיקלי, גם מד התאוצה מספק מדידות שאינן מדויקות, דוגמאות לשגיאות מדידים:

• שגיאת היסט (Bias) - שגיאה קבועה.
• שגיאת קנה מידה (Scale Factor) - שגיאה שתלויה בגודל המדידה. שגיאה זו לא בהכרח סימטרית, כלומר ייתכן הבדל בין שגיאה שמתפתחת כאשר המדידה חיובית לבין כאשר המדידה שלילית.
• רגישות לתנאי סביבה - שגיאה שמשתנה בהשפעת הטמפרטורה, הפרעות אלקטרומגנטיות או רעידות בסביבת המדיד
• רעש - בדרך כלל, מזכירים רעש לבן בלבד למרות שבמציאות ישנם רעשים נוספים

מודל מתמטי

את השגיאה לא יודעים לתאר באופן מדויק אך ניתן לספק מודל מקורב לשגיאה, מודל השגיאה הפשוט הוא:

${\tilde {a}}=b+SF\cdot {a}+n(0,\sigma )$

שימושים

למדי תאוצה שימושים רבים:

• במערכת ניווט אינרציאלית של טילים ומערכות אמל"ח מתקדמות וצוללות - מדידת התאוצה הקווית של גוף, יחד עם הגירוסקופ המודד תאוצה זוויתית.
• בטלפונים חכמים - זיהוי הטיית המסך כך שיסובב את המסך בהתאם ויוצג תמיד כלפי המשתמש.
• במצלמות דיגיטליות - זיהוי תאוצה המאפשר ייצוב המצלמה ושיפור חדות התמונה.
• בסייסמוגרף - מדידת תנודות בקרקע ומאפשר התרעה מפני תופעות טבע הרסניות, כגון רעידות אדמה, גלי צונאמי והתפרצויות געשיות.
• חיישן תאונה.
• מדידת רעידות במכונות רוטטות.
• בשלטים של קונסולת משחקים, כמו ב-Wii.

לקריאה נוספת

• Anthony Lawrence, Modern Inertial Technology, 2dn Edition

ראו גם

• תאוצה
• גירוסקופ
• חיישן תאונה

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מד תאוצה בוויקישיתוף

• מד תאוצה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)