加速規 (英語:accelerometer ),又稱加速計 、加速針 、加速度感測器 、重力加速度感測器 等等,是一種測量物體固有加速度 的裝置。[ 1] 固有加速度 是指物體相對於處於自由落体 狀態的觀察者(即相對於惯性参考系 )的加速度 (速度的變化率 , rate of change)。[ 2] 固有加速度與坐標加速度不同,坐標加速度是相對於給定坐標系的加速度,而坐標系 可能在加速,也可能不在加速。舉例來說,一個靜止在地球表面的加速規,會測量出由於地球引力 而直向上的加速度[ 3] ,約為g ≈ 9.81 m/s2 。相比之下,處於自由下落狀態的加速規所測量的加速度為零。
加速規在工業、消費性產品和科學領域有許多用途。高靈敏度加速規用於飛機 和導彈 的慣性導航系統。在無人航空載具 中,加速規有助於穩定飛行。微机电系统 (MEMS) 加速計用於手持式電子裝置,例如智慧型手機 、相機和電動遊戲控制器,以偵測這些裝置的移動和方向。工業機械的震動則由加速規監測。地震儀 是一種靈敏的加速規,用於監測地震 等地面運動。
當兩個或兩個以上的加速規彼此協調時,它們可以量測在空間中的距離上的適當加速度差異,特別是重力 ,也就是重力場 的梯度。重力梯度測量非常有用,因為絕對重力是一種微弱的效應,並且取決於當地的地球密度,而地球密度是相當多變的。
單軸加速規可沿著指定軸線測量加速度。多軸加速規同時偵測適當加速度的大小和方向,作為向量 量,通常以沿著不同軸定向的數個單軸加速規來實作。
物理原理
一個加速規
Kionix 的三軸數位加速規,位於Motorola Xoom 平板電腦內
加速規測量固有加速度 ,這是它相對於自由落體所經歷的加速度,也是人和物體所感受到的加速度[ 2] 。換句話說,在時空中的任何一點,等效原理 保證了局部慣性系 的存在,並且加速規測量相對於該慣性系的加速度。這種加速度通常稱為G力 [ 4] ;即與標準重力 相比。
相對於地球表面靜止的加速規會顯示向上約1g的加速度,因為地球表面相對於當地慣性框架 (自由落下的物體在地球表面附近的框架) 施加向上的法向力。為了得到相對於地球的運動加速度,必須減去這個「重力偏移」,並修正地球相對於慣性框架的自轉所造成的影響。
出現引力偏移的原因是愛因斯坦的等效原理 [ 5] ,該原理指出引力對物體的影響與加速度是無法區分的。當透過例如施加地面反作用力或等效的向上推力,將加速規固定在重力場中時,加速規的參考系 (其本身的外殼) 會相對於自由下落的參考系向上加速。
加速規種類多樣,其常用的作用原理有壓電效應 、壓阻效應 、電容 式感應等。
應用
加速規的應用之一是測量重力 ,特別是使用於重量測定法的加速規上,這樣的裝置稱為重力計 。
和許多其它科學與工程系統一樣,加速規與陀螺儀 一同使用於慣性導引系統 中。MEMS (微機電系統)加速規最常見於現代汽車的安全氣囊系統上,以偵測碰撞發生時車輛突然的減速度。
加速規可能是最簡單的MEMS裝置,有時只由一個懸臂和一個重鎚組成,利用撓曲和電路來測量加速度。MEMS加速規可以測量幾千個G 的幅度,單軸、二軸、三軸都可以。
加速規的廣泛使用使得自動化工業大幅降低成本。
將加速規運用在定位的估算上的研究也正在進行。全球定位系統 (簡稱「GPS」)必須接收到衛星訊號才能使用,如果裝置進到坑道內,就可以利用加速規來推斷位置。
加速規也可以應用在貨物運送中,常見於木箱或紙箱外黏貼的一個裝置衝擊指示器 ,可以偵測運輸中碰撞發生對貨物產生的加速度G。[ 6]
參看
参考文献
^ Tinder, Richard F. Relativistic Flight Mechanics and Space Travel: A Primer for Students, Engineers and Scientists. Morgan & Claypool Publishers. 2007: 33. ISBN 978-1-59829-130-8 . Extract of page 33
^ 2.0 2.1 Rindler, W. Essential Relativity: Special, General, and Cosmological illustrated. Springer. 2013: 61. ISBN 978-1-4757-1135-6 . Extract of page 61
^ Corke, Peter. Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms In MATLAB second, completely revised, extended and updated. Springer. 2017: 83. ISBN 978-3-319-54413-7 . Extract of page 83
^ Einstein, Albert. 20 . Relativity: The Special and General Theory. New York: Henry Holt. 1920: 168. ISBN 978-1-58734-092-5 .
^ Penrose, Roger. 17.4 The Principle of Equivalence. The Road to Reality . New York: Knopf. 2005: 393–394 [2004]. ISBN 978-0-470-08578-3 .
^ 撞擊原理 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ),YouTube。
外部連結