Akselerometer

Akselerometer^[1] er en innretning for måling av riktig akselerasjon og krefter indusert av tyngdekraft til et objekt.^[2] Riktig akselerasjon er akselerasjonen (hastighetens endringsrate) til objektet i forhold til en observatør som er i fritt fall (det vil si i forhold til en ramme for treghetsreferanse).^[3]

Riktig akselerasjon er forskjellig fra koordinatakselerasjon, som er akselerasjon i forhold til et gitt koordinatsystem, som kan være akselererende eller ikke. For eksempel vil et akselerometer i ro på jordoverflaten måle en akselerasjon på grunn av jordens tyngdekraft rett oppover^[4] på omtrent g ≈ 9,81 m/s2. Derimot vil et akselerometer som er i fritt fall måle null akselerasjon.

Enkel- og fleraksemodeller er tilgjengelige for å detektere størrelsen og retningen på akselerasjonen som en vektorstørrelse. Akselerometere kan brukes for å måle helning, vibrasjon og støt. De brukes i økende grad i bærbar elektronikk.

Fysiske prinsipper

Et akselerometer måler riktig akselerasjon, som er akselerasjonen den opplever i forhold til fritt fall, og er akselerasjonen som føles av mennesker og objekter.^[3] Sagt på en annen måte, på ethvert punkt i romtiden garanterer ekvivalensprinsippet eksistensen av en lokal treghetsramme, og et akselerometer måler akselerasjonen i forhold til denne rammen.^[5] Slike akselerasjoner kalles populært g-kraft, det vil si i sammenligning med standardgravitasjon.^[6]

Et akselerometer i ro i forhold til jordoverflaten vil indikere omtrent 1 g oppover fordi jordoverflaten utøver en normalkraft oppover i forhold til den lokale treghetsrammen (rammen til et fritt fallende objekt nær overflaten). For å få akselerasjonen på grunn av bevegelse i forhold til jorden, må denne «gravitasjonsforskyvningen» trekkes fra og korrigeres for effekter forårsaket av jordens rotasjon i forhold til treghetsrammen.

Årsaken til at det oppstår en gravitasjonsforskyvning er Einsteins ekvivalensprinsipp,^[7] som sier at tyngdekraftens effekter på et objekt ikke kan skilles fra akselerasjon. Når den holdes fast i et gravitasjonsfelt ved for eksempel å påføre en bakkereaksjonskraft eller et tilsvarende oppadgående skyv, akselererer referanserammen for et akselerometer (dens eget hus/bekledning) oppover i forhold til en fritt fallende referanseramme. Effektene av denne akselerasjonen kan ikke skilles fra noen annen akselerasjon som instrumentet opplever, slik at et akselerometer ikke kan oppdage forskjellen mellom å sitte i en rakett på oppskytningsrampen og å være i den samme raketten i verdensrommet mens den bruker motorene sine til å akselerere med 1 g. Av lignende grunner vil et akselerometer vise null under enhver type fritt fall. Dette omfatter også bruk i et svevende fartøy uten drivkraft i verdensrommet langt fra enhver masse, et romskip i bane rundt jorden, et fly i en parabolsk «null-g»-bue eller ethvert fritt fall i vakuum. Et annet eksempel er fritt fall i en tilstrekkelig høy høyde til at atmosfæriske effekter kan neglisjeres.

Et akselerometer måler akselerasjonen og tyngdekraften den gjennomgår. Begge måles typisk i SI-enheter meter/sekund² (m/s²) eller i g-krefter.

Virkningen av gravitasjon og akselerasjon er avhengige av hverandre ifølge ekvivalsensprinsippet. Målingen fra et akselerometer er forskjøvet som følge av lokal gravitasjon. Dette betyr uintuitivt at et akselerometer som hviler på jordas overflate, faktisk vil vise 1g langs den vertikale aksen. For å måle akselerasjon som følge av bare bevegelse, må denne forskyvingen trekkes fra. Langs alle horisontale retninger viser innretningen akselerasjon direkte. Omvendt vil innretningens utdata være null under fritt fall, da akselerasjonen følger tyngdekraften. Dette gjelder også i et romfartøy som er i bane, men ikke i et fall med luftmotstand, der krefter reduserer akselerasjonen til endelig fart er nådd. Først når den endelige farten er nådd, vil akselerometeret vise 1g som vertikal forskyvning.

I praktisk hensikt om å finne akselerasjonen til objekter i forhold til jorda, som for bruk i et treghetsstyrt navigasjonssystem, vil korreksjonen grunnet gravitasjon langs vertikalaksen normalt bli gjort automatisk. For eksempel ved kalibrering ved hvileposison.

Struktur

Moderne akselerometere er ofte små mikro-elektromekaniske systemer og er faktisk de enkleste MEMS-innretningene som finnes. De består stort sett av en frittbærende stang med et lodd (også kjent som seismisk masse) og en type elektronikk for måling av forskyvning. Under påvirkning av tyngdekraft eller akselerasjon blir loddet flyttet fra nøytralposisjonen. Forskyvningen måles analogt eller digitalt.

En annen type MEMS-basert akselerometer inneholder et lite varmeelement i bunnen av en veldig liten halvkule. Varmeeelementet varmer opp luft, som får halvkulen til å stige. Et termoelement på halvkulen bestemmer hvor den varme lufta treffer halvkula og forskyvningen fra sentrum er en måling for akselerasjon.

Enkelakse-, dobbelakse- og trippelaksemodeller eksisterer for å måle akselerasjon som en vektorstørrelse eller i en eller flere komponenter. MEMS-akselerometere er tilgjengelige for et vidt spekter av måleområder. Noen kan måle opp til tusener av g-krefter.

Se også

Referanser

↑ «akselerometer», NAOB
↑ Tinder, Richard F. (2007): Relativistic Flight Mechanics and Space Travel: A Primer for Students, Engineers and Scientists. Morgan & Claypool Publishers. ISBN 978-1-59829-130-8; s. 33.
1 2 Rindler, W. (2013): Essential Relativity: Special, General, and Cosmological (illu. utg.). Springer. ISBN 978-1-4757-1135-6; s. 61
↑ Corke, Peter (2017): Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms In MATLAB (2. rev., utv. og oppd. utg.), Springer. ISBN 978-3-319-54413-7; s. 83.
↑ Einstein, Albert (1920): «20», Relativity: The Special and General Theory. New York: Henry Holt. ISBN 978-1-58734-092-5; s. 168.
↑ Broughall, Matt (13. april 2023): «What is g-force and how is it related to harsh driving?», Geotab
↑ Penrose, Roger ([2004] 2005): "17.4 The Principle of Equivalence", The Road to Reality. New York: Knopf. ISBN 978-0-470-08578-3; s. 393–394.

Eksterne lenker

(en) Accelerometers – kategori av bilder, video eller lyd på Commons

[1] «akselerometer», NAOB

[2] Tinder, Richard F. (2007): Relativistic Flight Mechanics and Space Travel: A Primer for Students, Engineers and Scientists. Morgan & Claypool Publishers. ISBN 978-1-59829-130-8; s. 33.

[Rindler-3] 1 2 Rindler, W. (2013): Essential Relativity: Special, General, and Cosmological (illu. utg.). Springer. ISBN 978-1-4757-1135-6; s. 61

[4] Corke, Peter (2017): Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms In MATLAB (2. rev., utv. og oppd. utg.), Springer. ISBN 978-3-319-54413-7; s. 83.

[5] Einstein, Albert (1920): «20», Relativity: The Special and General Theory. New York: Henry Holt. ISBN 978-1-58734-092-5; s. 168.

[6] Broughall, Matt (13. april 2023): «What is g-force and how is it related to harsh driving?», Geotab

[7] Penrose, Roger ([2004] 2005): "17.4 The Principle of Equivalence", The Road to Reality. New York: Knopf. ISBN 978-0-470-08578-3; s. 393–394.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]