เครื่องวัดความเร่งเป็นอุปกรณ์ที่น่าสนใจซึ่งใช้ในการวัดความเร่ง ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงวิศวกรรมการบินและอวกาศ ซึ่งในชีวีตประจำวัน มักจะใช้เครื่องวัดความเร่งโดยไม่ทราบถึงการทำงานของมัน ไม่ว่าจะเป็นเมื่อหน้าจอโทรศัพท์หมุน เครื่องติดตามการออกกำลังกายนับก้าว หรือถุงลมนิรภัยในรถทำงานเมื่อเกิดอุบัติเหตุ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจและอธิบายเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องวัดความเร่ง ประเภท การใช้งาน และความก้าวหน้าในอนาคต หลังจากนั้นจะเข้าใจถึงหลักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังเซ็นเซอร์ขนาดเล็กแต่ทรงพลังเหล่านี้

เครื่องวัดความเร่งคืออะไร?

เครื่องวัดความเร่งคืออุปกรณ์ไฟฟ้าทางกลที่วัดความเร่งได้อย่างเหมาะสม ซึ่งก็คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็วเทียบกับความคงที่ในการเดินทางของเวลา ซึ่งแตกต่างจากความเร็วซึ่งเป็นสเกลาร์ ความเร่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งหมายความว่ามีทั้งขนาดและทิศทาง

เครื่องวัดความเร่งตรวจจับ ได้แก่ ความเร่งแบบสถิต เช่น แรงโน้มถ่วง และความเร่งแบบไดนามิค เช่น การสั่นสะเทือน การเคลื่อนที่ เป็นต้น เครื่องวัดความเร่งมีความจำเป็นในระบบนำทาง INS อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป หรือความปลอดภัยของยานยนต์ และเครื่องจักรในอุตสาหกรรม

เครื่องวัดความเร่งทำงานอย่างไร

หลักการพื้นฐาน ด้วยกฎข้อที่สองของการเคลื่อนที่ของนิวตัน

เครื่องวัดความเร่งทำงานตามกฎข้อที่สองของนิวตัน (F = ma) โดยที่แรง (F) เท่ากับมวล (m) คูณความเร่ง (a) ภายในเครื่องวัดความเร่ง มวลขนาดเล็กจะเคลื่อนที่ตอบสนองต่อความเร่ง และการเคลื่อนที่นี้จะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

ส่วนประกอบหลัก

• มวลที่ใช้ในการทดลอง น้ำหนักที่แขวนลอยซึ่งเคลื่อนที่ภายใต้ความเร่ง
• สปริงหรือคานยื่น ให้แรงคืนตัวเพื่อคืนมวลให้สมดุล
• กลไกการหน่วง ลดการสั่นเพื่อให้ได้ค่าที่คงที่
• ตัวแปลงสัญญาณ แปลงการเคลื่อนที่เชิงกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า เช่น พีโซอิเล็กทริก ความจุคาปาซิทีฟ หรือพีโซรีซิสทีฟ เป็นต้น

ประเภทของอุปกรณ์วัดความเร่ง

1. อุปกรณ์วัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก ใช้คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อได้รับแรงกดทางกล เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสั่นสะเทือนความถี่สูง เช่น การตรวจสอบเครื่องจักรในอุตสาหกรรม
2. เครื่องวัดความเร่งแบบเก็บประจุไฟฟ้า วัดการเปลี่ยนแปลงความจุระหว่างแผ่นคงที่และมวลที่เคลื่อนที่ พบได้ทั่วไปในสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์ MEMS (ระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์)
3. เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซรีซิสทีฟ ใช้ตัวต้านทานที่ไวต่อความเครียดซึ่งจะเปลี่ยนความต้านทานภายใต้ความเร่ง มักพบในระบบตรวจจับการชนของรถยนต์ ทนทานแต่ไวต่อแรงกดน้อยกว่าแบบคาปาซิทีฟ
4. เครื่องวัดความเร่ง MEMS เป็นรุ่นย่อส่วนที่ใช้เทคนิคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ พบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้ใช้งาน สมาร์ทโฟน คอนโทรลเลอร์เกมเมอร์ ต้นทุนต่ำ ผสานรวมได้ดี และประหยัดพลังงาน

การใช้งานของเครื่องวัดความเร่ง

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้ใช้งานทั่วไป เช่น สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต การหมุนหน้าจอ การนับก้าว การควบคุมด้วยท่าทาง อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกายจะวัดจำนวนก้าว รูปแบบการนอนหลับ และระดับกิจกรรม
• อุตสาหกรรมยานยนต์ การทำงานของถุงลมนิรภัย ตรวจจับการชะลอความเร็วอย่างกะทันหันในเหตุการณ์ชน ระบบควบคุมเสถียรภาพอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) ป้องกันการลื่นไถลโดยตรวจสอบการเคลื่อนไหวของรถ
• การบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ ระบบนำทางเฉื่อย (INS) นำทางเครื่องบินและขีปนาวุธโดยไม่ต้องใช้ GPS การตรวจสอบสุขภาพ หรือการตรวจจับการสั่นสะเทือนในปีกเครื่องบิน
• การตรวจสอบอุตสาหกรรมและโครงสร้าง การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน คาดการณ์ความล้มเหลวของเครื่องจักรในโรงงาน การตรวจจับแผ่นดินไหว วัดค่ากิจกรรมของแผ่นดินไหว
• หุ่นยนต์และโดรน การทรงตัว ช่วยให้หุ่นยนต์และโดรนรักษาเสถียรภาพได้ การจดจำท่าทาง ช่วยให้โต้ตอบระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรได้

จะเลือกเครื่องวัดความเร่งอย่างไร?

เมื่อจะเลือกเครื่องวัดความเร่ง ควรพิจารณาพารามิเตอร์ ต่อไปนี้

1. ช่วง Range  ±1g สำหรับการตรวจจับความเอียง ±200g สำหรับการตรวจจับแรงกระแทก
2. ความไว ความไวที่สูงขึ้นเพื่อการวัดที่แม่นยำ
3. แบนด์วิดท์ แบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นสำหรับการสั่นสะเทือนความถี่สูง
4. การใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่
5. ประเภทเอาต์พุต อนาล็อก (แรงดันไฟฟ้า) เทียบกับ ดิจิทัล (I2C, SPI)
6. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิ ความทนทานต่อแรงกระแทก การกันน้ำ

บทสรุป

เครื่องวัดความเร่งเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ โดยช่วยเชื่อมช่องว่างระหว่างการเคลื่อนไหวทางกายภาพและการตอบสนองแบบดิจิทัล ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงยานอวกาศ ความสามารถในการตรวจจับความเร่งของเครื่องวัดความเร่งช่วยให้เกิดนวัตกรรมต่างๆ ในอุตสาหกรรมต่างๆ เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น เครื่องวัดความเร่งจะแม่นยำยิ่งขึ้น ประหยัดพลังงานได้มากขึ้น และผสานรวมเข้ากับชีวิตประจำวันของเราต่อไป

‍