سنسور سنجش فشار

(تغییرمسیر از کرنش‌سنج)

فشار‌سنج یا سنسور سنجش فشار (به انگلیسی: Strain gauge) دستگاهی است که فشار وارد شده بر یک جسم را اندازه می گیرد. این دستگاه در سال 1938 توسط ادوارد ای سیمونز و آرتور کلاود روجی اختراع شد.

دستگاه فشار سنج فویلی. قسمت های آبی رسانا هستند. مقاومت از یک لایه ی آبی تا لایه بعدی اندازه گیری می شود. این فشارسنج حساسیت بیشتری به فشار اعمال شده در راستای عمودی نشان می دهد. نشانه گذاری های بیرون فشارسنج هنگام نصب به بهبود تراز کردن کمک می کنند.

متداول ترین نوع استرین گیج متشکل از یک ورقه (یا نوار)  انعطاف پذیر عایق است که از الگوی فویل فلزی پشتیبانی می کند. ورقه اندازه گیر فشار سنج، توسط چسب مناسبی مانند سیانوآکریلات، به شی متصل می شود.[۱]  وقتی شی کج و معوج می شود، فویل نیز کج و معوج می گردد و باعث تغییر مقاومت الکتریکی در آن می شود. این تغییرات مقاومتی، که معمولا توسط یک پل وتسون اندازه گیری می گردد، با کمیتی معروف به ضریب سنجش به فشار ربط داده می شود.

عملکرد فیزیکیویرایش

استرین گیج ها از مزیت خاصیت فیزیکی رسانایی الکتریکی و وابستگی آن به هندسه ی رسانا بهره می برند. وقتی یک رسانای الکتریسیته در محدوده ی جهندگی و الاستیسیته ی خود منبسط می شود (به نحوی که از هم گسیخته نگردد یا به طور دائم از شکل و شمایل نیفتد)، باریک تر و بلندتر می گردد؛ که باعث افزایش مقاومت الکتریکی دو سر می گردد. با اندازه گیری مقاومت الکتریکی استرین گیج، مقدار فشار تحمیل شده بدست می آید.

یک استرین گیج معمولی، یک نوار رسانای باریک و بلند را در یک الگوی زیگ-زاگ از خطوط موازی مرتب می کند؛ این عمل، باعث افزایش حساسیت نمی گردد، زیرا درصد تغییرات مقاومت برای یک فشار معین برای کل زیگ-زاگ، برابر با همان مقدار برای هر ردیف است. یک ردیف خطی بایستی بسیار نازک باشد، تا اینکه در برابرگرمای زیاد (که مقاوت آن را تغییر می دهد و باعث انبساط آن می شود) قابل اطمینان باشد؛ یا اینکه باید در سطح ولتاژ بسیار کمتری به کار گرفته شود، اندازه گیری دقیق تغییرات مقاومت را دشوار می سازد.

ضریب سنجشویرایش

ضریب سنجش به شکل زیر تعریف می شود:

 

 
فویل استرین گیج مقاوم نصب نشده

که در آن

  تغییر مقاومت ناشی از اعمال فشار،   مقاومت اولیه خود دستگاه و   فشار است.



برای دستگاه های فویل فلزی معمول، ضریب سنجش اندکی بیشتر از 2 است.[۲] برای یک دستگاه سنجش تکی با سه مقاومت ساختگی با اندازه مقاومتی همانند مقاومت های پل ویتستون در وضعیت تعادل، ولتاژ خروجی سنسور،  ، برابر است با:

 

که در آن   ولتاژ تحریک پل است.

فویل های درجه ای، معمولا دارای مساحت فعالی ئر اندازه های 2 تا 10 میلی متر مربع هستند. با نصب دقیق، سنجش صحیح و چسب مناسب، فشارها تا حداقل 10% قابل اندازه گیری هستند.

در عملویرایش

 
تجسم مفهوم کار پشت فشارسنج بر روی یک میله (تیر) تحت خمیدگی بسیار زیاد

یک ولتاژ تحریک به لیدهای (کابل های هادی) شبکه ی استرین گیج اعمال می گردد، و یک ولتاژی از لیدهای خروجی خوانده می شود. ولتاژهای ورودی معمولا 5 تا 12 ولت و ولتاژهای خوانده ی شده ی خروجی معمولا بر حسب میلی ولت هستند.

فویل های استرین گیج در شرایط بسیاری قابلیت استفاده دارند. کاربردهای متفاوت باعث وجود یک سری الزاماتی بر روی گیج می شود. در اکثر موارد، جهت گیری فشار سنج قابل توجه است.

به طور معمول انتظار می رود که گیج (ابزار سنجش) های متصل به المان بار ( به انگلیسی Load cell ) تا مدت زمانی چند سال، اگر نگوییم ده ها سال، پایدار باقی بمانند؛ در حالی که آن هایی که برای اندازه

گیری پاسخ در یک آزمایش پویا (دینامیکی) استفاده می شوند، ممکن است فقط برای چند روز لازم باشد که به شی متصل باشند، کمتر از یک ساعت انرژی داشته باشند و کمتر از یک ثانیه کار کنند.

فشارسنج ها با یک چسب مخصوص به زیرلایه (بستر) متصل می شوند. نوع چسب به طول عمر مورد نیاز سیستم اندازه گیری بستگی دارد. برای اندازه گیری های کوتاه مدت (تا چند هفته) چسب سیانوآکریلات، و برای نصب های طولانی مدت چسب اپوکسی ( به انگلیسی epoxy glue ) مورد نیاز است. چسب اپوکسی معمولا نیاز به عمل آوری با دمای بالا (حدود 80 تا 100 درجه ی سانتی گراد) دارد. آماده سازی سطحی که فشارسنج باید روی آن چسبیده شود از اهمیت بالایی برخوردار است. سطح باید صاف و هموار باشد (به عنوان مثال با کاغذ شن و ماسه ی بسیار ریز)، با حلال آغشته شود، پس از آن باید آثار حلال برداشته شود و بلافاصله پس از آن، فشارسنج چسب زده شود تا از اکسید شدن یا آلودگی منطقه ی مهیا شده جلوگیری گردد. اگر این مراحل انجام نشود، ممکن است اتصال فشارسنج به سطح غیرقابل اعتماد باشد و خطاهای اندازه گیری غیرقابل پیش بینی رخ دهد.

فناوری پایه و اساس استرین گیج ها به طور متداول در ساخت سنسورهای فشار استفاده می شود. خود گیج (معیار سنجش) های مورد استفاده در سنسورهای فشار، معمولا از سیلیکون، پلی سیلیکون، غشای غلزی، غشای ضخیم و فویل پیوندی ساخته می شوند.

تغییرات دماییویرایش

تغییرات دما باعث ایجاد اثرات بسیاری می گردد. سایز شی با انبساط دمایی دچار تغییر می شود؛ که به عنوان یک فشار توسط معیار سنجش تشخیص داده می شود. مقاومت گیج و همچنین مقاومت سیم های اتصال تغییر خواهند کرد.

اکثر استرین گیج ها از آلیاژ ثابت (55% مس و 45% نیکل) ساخته می شوند.[۳] آلیاژهای ثابت و آلیاژهای کارمای مختلف به گونه ای طراحی شده اند که تاثیرات دمایی بر روی مقاومت استرین گیج، تا حد زیادی تغییرات مقاومتی گیج (حاصل شده از انبساط گرمایی شی مورد آزمایش) را خنثی نماید. از آنجا که مواد مختلف دارای مقادیر انبساط حرارتی مختلفی می باشند، مسئله ی جبرانسازی دمای خود ( به طور مخفف STC )، مستلزم انتخاب یک آلیاژ خاصی است که با ماده تشکیل دهنده ی شی مورد آزمایش مطابقت داشته باشد.

فشارسنج هایی که از نظر درجه حرارت خود جبران نشده باشند (مانند آلیاژ ایزوالاستیک)، می توانند با استفاده از تکنیک گیج ساختگی، دما را جبرانسازی کنند. یک گیج ساختگی(همانند استرین گیج فعال)، بر روی یک نمونه ای که به آن فشار وارد نشده از همان ماده نمونه ی تست شده نصب می شود. نمونه با گیج ساختگی در تماس گرمایی با نمونه ی آزمایش، در مجاورت گیج فعال قرار می گیرد. گیج ساختگی به یک پل وتسون روی بازوی مجاور به گیج فعال با سیم متصل است تا اینکه اثرات دما بر روی گیج های فعال و ساختگی یکدیگر را خنثی کنند.[۴] (قانون مورفی در اصل در پاسخ به مجموعه ای از گیج ها که به صورت اشتباه به یک پل وتسون وصل شده بودند، وضع شد)[۵]

هر ماده ای هنگام گرم یا خنک شدن واکنش نشان می دهد. این امر، باعث می شود که فشارسنج ها تغییر شکلی در ماده را نشان دهند که باعث تغییر سیگنال شود. برای جلوگیری از این اتفاق، فشارسنج ها به گونه ای ساخته می شوند که این تغییری که به سبب دما ایجاد می شود، جبران نمایند. وابسته به ماده ی سازنده ی سطحی که استرین گیج بر روی آن مونتاژ می گردد، می توان انبساط متفاوتی را اندازه گیری نمود.

اثرات دما بر روی سیم های لید (کابل هادی) می توانند توسط یک "پل سه سیمه" یا یک "مدار اهمی چهار سیمه"[۶] خنثی شود (همچنین اتصال کلوین چهار سیمه نیز نامیده می شود).

در هر صورت، نگه داشتن به اندازه ی کافی ولتاژ درایو پل وتسون، به منظور جلوگیری از گرم شدن خودکار استرین گیج، یک تمرین خوب مهندسی می باشد. گرم شدن خودکار فشارسنج به مشخصه های مکانیکی آن بستگی دارد ( فشارسنج های بزرگ کمتر در معرض گرم شدن خودکار قرار دارند). سطوح پایین ولتاژ درایو پل، باعث کاهش حساسیت کل سیستم می شود.

خطاها و جبرانسازی هاویرایش

  • آفست صفر ( به انگلیسی Zero Offset ) : اگر بعد از اتصال گیج به جمع کننده ی نیرو، امپدانس چهار بازوی گیج کاملا یکسان نباشد، یک مقدار آفست صفر وجود دارد که می تواند با معرفی یک مقاومت موازی با یک یا چند بازوی گیج، جبران شود.
  • ضریب دمای ضریب گیج ( به انگلیسی TCGF )، تغییر حساسیت دستگاه به استرین (فشار)، با تغییر دما است. این به طور کلی با معرفی یک مقاومت ثابت در پایه ی ورودی جبران می شود؛ و بموجب آن ولتاژ موثر تامین شده با افزایش دما کاهش می یابد، یعنی جبران کردن افزایش حساسیت با افزایش دما. این به عنوان جبران ضریب (یا مدول) شناخته می شود. با افزایش دما، عنصر سلول بار کشدارتر (الاستیک تر) می شود و در نتیجه، تحت یک بار ثابت، تغییر شکل بیشتری می دهد و منجر به افزایش خروجی می شود؛ اما بار هنوز همان است. نکته ی هوشمندانه در کل این ماجرا این است که مقاومت موجود در منبع تغذیه ی پل، باید یک مقاومت حساس به دما باشد که هم با ماده ای که گیج به آن متصل شده و هم با ماده ی عنصر گیج مطابقت داشته باشد. مقدار این مقاومت به هر دوی آن مقدارها بستگی دارد و قابل محاسبه می باشد. به زبان ساده، اگر خروجی افزایش یابد، مقدار مقاومت نیز افزایش می یابد و بموجب آن ولتاژ خالصی که به مبدل می رسد کاهش می یابد. اگر مقدار مقاومت را درست بگیرید، هیچ تغییری مشاهده نخواهید کرد.
  • شیفت صفر با دما : اگر پارامتر TCGF هر گیج یکسان نباشد، یک شیفت صفر با دما اتفاق می افتد. این امر همچنین به دلیل ناهنجاری در جمع کننده ی نیرو پدید می آید؛ که معمولا با یک یا چند مقاومت که به طور استراتژیک در شبکه ی جبران قرار گرفته اند، جبران می شود.

خطی بودن خطایی است که به موجب آن حساسیت، در محدوده ی فشار تغییر میکند. این معمولا تابعی از انتخاب ضخامت جمع کننده ی نیرو برای فشار مورد نظر و کیفیت اتصال است.

  • هیسترزیس (پسماند)، خطای بازگشت به صفر پس از سیر و گردش فشار است.
  • قابلیت تکرار : این خطا گاهی اوقات با هیسترزیس گره خورده است، اما در محدوده ی فشار قرار دارد.
  • خطاهای ناشی از تداخل الکترومغناطیسی ( EMI ) : چونکه ولتاژ خروجی فشارسنج ها در محدوده ی میلی ولت است، یا حتی میکرو ولت، اگر درایو ولتاژ پل وتسون برای جلوگیری از گرم شدن خودبخود عنصر کم نگه داشته شود، باید از تقویت سیگنال خروجی مراقبت ویژه شود تا از تقویت نویز اضافی جلوگیری گردد. یک راه حل که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد، استفاده از تقویت کننده های "فرکانس حامل" است، که تغییرات ولتاژ را به یک تغییر فرکانس تبدیل می کند (مانند ولتاژ اسیلاتورها)؛ و دارای پهنای باند باریکی هستند و بنابراین، EMI باند کاهش می یابد.
  • همپوشانی یا اورلپینگ : اگر استرین گیج بیش از حد طراحی خود بارگیری شود (با واحد میکرواسترین اندازه گیری می شود)، عملکرد آن تنزل می یابد و نمی توان آن را بازیابی نمود. معمولا روش های خوب مهندسی پیشنهاد می دهد که فشاری بیش از 3000 میکرواسترین به استرین گیج اعمال نشود.
  • رطوبت : اگر سیم های اتصال دهنده ی فشارسنج به تهویه ی سیگنال در برابر رطوبت محافظت نشوند، مثل سیم های لخت، امکان رخ دادن خوردگی بوجود می آید و منجر به مقاومت پارازیتی می گردد. این می تواند باعث شود که جریان هایی بین سیم ها و زیرلایه ای که استرین گیج به آن چسبیده است، یا مستقیما بین دو سیم، برقرار شود؛ باعث ورود خطایی قابل رقابت با جریان عبوری از فشارسنج می شود. به همین دلیل، فشارسنج هایی با جریان زیاد و مقاومت پایین ( 120 اهمی ) کمتر در معرض این نوع خطا هستند. به منظور جلوگیری از این خطا، کافی است با لعاب عایق ( به عنوان مثال از نوع اپوکسی یا پلی اورتان ) از سیم های استرین گیج محافظت گردد. فشارسنج هایی با سیم های بدون محافظ ممکن است فقط در یک محیط خشک آزمایشگاهی مورد استفاده قرار بگیرد، اما نه در یک محیط صنعتی.

در برخی از کاربردها، فشارسنج ها مقداری جرم و میرایی به فرم ( یا پروفایل ) ارتعاشی سخت افزاری که برای اندازه گیری در نظر گرفته شده است، اضافه می کنند. در صنعت توربو ماشین، یکی از گزینه های استفاده شده برای جایگزینی فناوری استرین گیج در اندازه گیری ارتعاشات روی سخت افزار چرخان، سیستم اندازه گیری فشار بدون نفوذ است؛ که اجازه می دهد ارتعاشات تیغه را بدون هیچ گونه سخت افزار نصب شده روی تیغه یا دیسک اندازه بگیریم.

هندسه ی استرین گیج هاویرایش

 
هندسه ی استرین گیج ها

انواع مختلف استرین گیج ها در بازار در زیر آورده شده اند :

  • فشارسنج های خطی
  • فشارسنج های Membrane Rosette
  • فشارسنج های دو خطی
  • فشارشنج های پل کامل
  • فشارسنج های تغییر شکل برشی
  • فشار سنج های نیمه پل
  • فشارسنج های ستونی
  • Rosette 45 درجه ( 3 جهت اندازه گیری )
  • Rosette 90 درجه ( 2 جهت اندازه گیری )

انواع دیگرویرایش

برای اندازه گیری های فشار پایین، استرین گیج های نیمه هادی،  اصطلاحا استرین گیج های پیزوالکتریک، اغلب به فویل های گیج ترجیح داده می شوند. یک گیج نیمه رسانا معمولا ضریب سنجش بیشتری نسبت به گیج فویل دارد. گیج های نیمه رسانا گران تر، حساس تر نسبت به تغییرات دما و شکننده تر از گیج های فویلی هستند.

استرین گیج های مبتنی بر ذرات نانو به عنوان یک فناوری امیدوار کننده ی جدید در حال ظهور می باشند. این سنسورهای مقاومتی که ناحیه ی فعالشان توسط مجموعه ای از ذرات نانوی رسانا، مثل طلا یا کربن، ساخته می شود، به دلیل امپدانس بالایشان، دارای ترکیبی از ضریب سنجش بالا، دامنه ی تغییر شکل زیاد و مصرف برق کم می باشند.

در اندازه گیری های بیولوژیکی، به ویژه جریان خون و تورم بافتیف متغیری به نام جیوه در استرین گیج های لاستیکی استفاده می شود. این مدل فشارسنج، شامل مقداری کمی جیوه ی مایع محصورشده در یک لوله ی لاستیکی کوچک است، که به عنوان مثال دور انگشت یا پا اعمال می شود. تورم یک قسمت از بدن، منجر به کشش لوله می شود، که باعث طولانی تر و نازک تر شدن آن می گردد، که نتیجه ی آن افزایش مقاومت الکتریکی است.

برای اندازه گیری فشار در امتداد یک فیبر نوری می توان از حسگر فیبر نوری استفاده کرد. اندازه گیری ها در امتداد فیبر توزیع شوند، یا در نقاط از پیش تعیین شده روی فیبر انجام شوند. قایق های جام ملت های امریکای سال 2010 ، Alighi5 و USA-17 ، هر دو از سنسورهای تعبیه شده از همین نوع استفاده می کردند.[۷]

از سایر روش های اندازه گیری نوری می توان برای اندازه گیری کشش هایی مانند تداخل سنج الگوی الکترونیکی نقطه یا همبستگی تصویر دیجیتال استفاده کرد.

فشارسنج های در مقیاس میکرو به طور گسترده در سیستم های میکروالکترومکانیکی ( به انگلیسی MEMS )، برای اندازه گیری کشش هایی مانند آنهایی که توسط نیرو، شتاب، فشار یا صدا ایجاد می شوند، استفاده می شوند.[۸] به عنوان مثال، کیسه های هوای درون اتوموبیل ها اغلب با شتاب سنج های MEMS تحریک می شوند.

به عنوان جایگزینی برای فشارسنج های پیزوالکتریک، از تشدیدکننده های حلقه ی نوری مجتمع، ممکن است برای اندازه گیری فشار در سیستم های میکروئوپتوالکترومکانیکی ( به انگلیسی MEOMS ) استفاده گردد.[۹]

فشارسنج های خازنی از یک خازن متغیر برای نشان دادن سطح تغییر شکل مکانیکی استفاده می کنند.

 
مثالی از استرین گیج های غیر تماسی که از همبستگی تصویر دیجیتال استفاده می کند.

فشارسنج های ویبره ای ( یا ارتعاشی ) در کاربردهای ژئوتکنیکی و  مهندسی عمران استفاده میشوند. گیج، شامل یک سیم لرزنده و کشیده است. فشار توسط اندازه گیری فرکانس تشدید سیم محاسبه می گردد ( افزایشش کشش، باعث افزایش فرکانس تشدید می شود).

فشارسنج های کریستال (بلور) کوارتز نیز در کاربردهای ژئوتکنیکی استفاده می شوند. یک سنسور فشار، یک فشارسنج کریستال کوارتز در حالت تشدید با یک جمع کننده ی نیروی لوله ی بوردون، سنسور حیاتی DART می باشند.[۱۰] DART  امواج سونامی را از کف اقیانوس تشخیص می دهد. هنگام اندازه گیری فشار در عمق چندین کیلومتری، رزولوشن ( قدرت تفکیک ) فشار آن حدود یک میلی متر اب است.[۱۱]

اندازه گیری های فشار غیرتماسیویرایش

فشار را همچنین می توان با استفاده از همبستگی تصویر دیجیتال ( DIC ) اندازه گیری کرد. با استفاده از این تکنیک، از یک یا دو دوربین در اجتماع با نرم افزار DIC، برای ردیابی مشخصه های روی سطح اجزا، برای تشخیص حرکات کوچک استفاده می شود. نقشه ی استرین کامل نمونه ی آزمایش شده را می توان به دست آورد، که نمایش مشابهی را به عنوان تجزیه و تحلیل عناصر محدود ارائه می دهد. این تکنیک، در بسیاری از صنایع برای جایگزینی فشارسنج های سنتی یا سنسورهای دیگر مثل کشش سنج ( اکستنسومترگلدان های رشته ای، LVDT و شتاب سنج ها استفاده می شود.[۱۲] دقت نرم افزار DIC که به صورت تجاری در دسترس است، معمولا در محدوده ی 100/1 تا 30/1 پیکسل برای اندازه گیری جابجایی است، که منجر به حساسیت فشار بین 20 تا 100 میکرومتر در یک متر می شود.[۱۳] روش DIC این اجازه را به ما می دهد که به سرعت، شکل، جابجایی و فشار غیرتماسی را اندازه گیری نماییم، و همزمان از برخی از روش های تماسی سنتی، به ویژه با ضربه ها، فشار زیاد، درجه حرارت بالا آزمون خستگی چرخه بالا جلوگیری می کند.[۱۴]

جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. «Strain Gage: Materials». www.efunda.com. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۲-۲۸.
  2. «Strain Gage: Sensitivity». www.efunda.com. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۲-۲۸.
  3. http://www.vishaypg.com/docs/11055/tn505.pdf
  4. Shull, Larry C., "Basic Circuits", Hannah, R.L. and Reed, S.E. (Eds.) (1992).Strain Gage Users' Manual, p. 122. Society for Experimental Mechanics. ISBN 0-912053-36-4.
  5. Spark, N. (2006). A History of Murphy's Law. Periscope Film. ISBN 978-0-9786388-9-4
  6. «Strain Gauges». https://www.omega.com/en-us/ (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۲-۲۸. پیوند خارجی در |وبگاه= وجود دارد (کمک)
  7. Fountain، Henry (۲۰۱۰-۰۲-۰۸). «Thirty Knots, With the Wind at Your Wings (Published 2010)» (به انگلیسی). The New York Times. شاپا 0362-4331. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۲-۲۸.
  8. https://doi.org/10.1109%2FMCD.2006.1615241
  9. Westerveld, W. J.; Leinders, S. M.; Muilwijk, P. M.; Pozo, J.; Dool, T. C. van den; Verweij, M. D.; Yousefi, M.; Urbach, H. P. (2014-07). "Characterization of Integrated Optical Strain Sensors Based on Silicon Waveguides". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 20 (4): 101–110. doi:10.1109/JSTQE.2013.2289992. ISSN 1558-4542. Check date values in: |date= (help)
  10. https://www.ndbc.noaa.gov/dart/dart_ii_description_6_4_05.pdf
  11. https://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/Pdf/Eble_J_atmo_91.pdf
  12. https://doi.org/10.1007%2F978-1-4614-2422-2_21
  13. https://doi.org/10.1007%2F978-1-4614-2422-2_20
  14. https://doi.org/10.1007%2F978-1-4419-8228-5_9