خانه / مطالب عمومی / آشنایی با سنسورهای شتاب سنج

آشنایی با سنسورهای شتاب سنج

سنسور: در دنیای الکترونیک ما تنها با دو کمیت ولتاژ و جریان سروکار داریم و ایندو را می توانیم اندازه گیری کنیم. مثلا دما هیچ معنی در یک مدار ندارد. پس برای اینکه کمیت های فیزیکی مثل دما، فشار، فاصله و … را اندازه گیری کنیم و مقدار آنرا نمایش دهیم باید آنرا به ولتاژ یا جریان تبدیل کنیم.
در بقیه ی
رشته ها هم سنسور وجود دارد اما با این نام استفاده نمی شود. مثلا در مکانیک بیشتر کمیتها به جابجایی تبدیل می شود و با عقربه نشان داده می شود.

BMEcenter.ir-N0432

شتاب سنج های پیزوالکتریکی PE: این نوع تکنولوژی بطور گسترده ای در اندازه گیری شتاب کاربرد دارد. گستره فرکانسی اندازه گیری توسط این سنسورها از حدود چند هرتز تا ۳۰ کیلوهرتز، گستره وسیعی از حساسیت، وزن، اندازه، و شکل انتخاب مناسبی را در اختیار کاربر قرار می دهد. شتاب سنج های  PE با خروجی جریان و ولتاژ در دسترس اند. شتاب سنج های پیزوالکتریک مهمترین ابزار کاربردی برای اندازه گیری شوک و ارتعاشات هستند.این وسیله نیز شبیه سنسورهای مکانیکی شامل یک جرم است که وقتی تحت شتاب قرار می گیرد یک نیروی اینرسی در یک کریستال پیزوالکتریک اعمال می کند. . شتاب سنجهای پیزوالکتریک از نظر نحوه تأثیر پذیری از ارتعاش و تولید سیگنال الکتریکی، در ۲ نوع دسته بندی می شوند: نوع فشاری (Compression type) و نوع برشی (Shear Type). المان اصلی این نوع از شتاب سنجها از مواد پیزوالکتریک مثل کوارتز و یا انواع خاصی از سرامیک ساخته می شود.

 BMEcenter.ir-N0430

شتاب سنج های پیزومقاومتی PR: از این شتاب سنج ها بعلت حساسیت کمی که دارند بیشتر برای اندازه گیری ضربه و تکان استفاده می شود تا اندازه گیری ارتعاش. از این سنسورها همچنین بصورت گسترده ای در تست تصادف وسایل نقلیه استفاده میشود. . این شتاب سنج، شتاب را از روی تغییر مقاومت سیلیکونی قرار گرفته در پل واتسون اندازه میگیرد. المان حسگر، جرم سیلیکونی میکروماشین شده ای است که بوسیله چند تیر از قاب سیلیکونی معلق شده است. حرکت جرم معلق، در تیر خمش ایجاد میکند و کرنش تیر را تغییر میدهد و باعث تغییر مقاومت پیزویی قرار گرفته در تیرها میشود. شتاب سنج های PR پهنای باندی در حدود چند صد هرتز تا ۱۳۰ kHz دارند و پاسخ فرکانسی آنها در حدود صفر هرتز است ( پاسخ DC) در نتیجه آنها میتوانند پاسخ گذرای طولانی مدّت را اندازه بگیرند. طبیعت پیزومقاومتی این شتاب سنج، امکان اندازه گیری شتاب ثابت (فرکانس صفر) را نیز فراهم میآورد

.  سنسورهای پیزورزیستیو و گیج های اندازه گیری کرنش مانند روش فوق عمل می کنند، اما عناصر کرنش سنج به گرما حساسند و به جبرانگر احتیاج دارند.آنها برای ارتعاشات فرکانس پایین با شوک های طولانی و کاربردهای شتاب ثابت  طراحی شده اند.واحدهای پیزورزیستیو سخت هستند و می توانند در فرکانس های بالای ۲۰۰۰هرتز عمل کنند

به عنوان مثال  شتاب سنجهای موجود در اداره کل خط راه آهن ایران، شتابسنج پیزومقاومتی با فنآوری ساخت میکروماشین می باشد

 BMEcenter.ir-N0431

شتاب سنج های خازنی VC: این دسته از شتاب سنج ها نسبت به سایرین دارای تکنولوژی جدیدتری هستند. مانند PRها، پاسخ شتاب سنجهای VC از نوع DC است. حساسیت بالا، پهنای باند باریک (۱۵ تا ۳۰۰۰ هرتز)، و پایداری حرارتی عالی از مشخصات این سنسورهاست. حساسیت حرارتی این سنسورها کمتر از ۱٫۵ درصد در گستره حرارتی ۱۸۰ درجه سلسیوس است. در سنسورهای حسی خازنی ، صفحات خازنی میکروماشین شده(خازن های صفحه ای cmosتنها ۶۰میکرون عمق دارند) تنها ۵۰میکروگرم جرم دارند.وقتی شتاب صفحات را تغییر شکل می دهد،یک تغییر قابل اندازه گیری در ظرفیت خازن رخ میدهد.. برخی ازمزایای این نوع مبدل ، عبارت است از دقت بالا حتی تا چند μg  ،حساسیت بالا، پاسخ مناسب به ورودی ثابت، عملکرد مناسب در برابر نویز، تغییر کم پارامترهای این شتاب سنجها در طول زمان،کم بودن حساسیت نسبت به دما، افت توان پایین، و سادگی ساختار مکانیکی. از این قطعات برای اندازه گیری ارتعاشات فرکانس پایین، جنبش، و شتاب حالت پایدار استفاده میشود.

بطور کلی سه نوع شتاب سنج خازنی : شانه جانبی، شانه محوری  و صفحه ای وجود دارد.  

در این نوع سنسور تغییرات ناشی از شتاب و حرکت جرم محک و جابجایی صفحات خازن، در امتداد عمود بر صفحه و نتیجتا تغییر فاصله بین الکترودها است. در صورتیکه در نوع شانه جانبی جابجایی جرم محک و نتیجتا صفحات خازن در امتداد صفحات صورت گرفته، دندانه های شانه در هم فرورفته و ظرفیت متناسب با آن تغییر می کند. بخش متحرک سنسور(جرم محک)روی یک ویفر سیلیکون با نشاندن لایه پلی سیلیکان  بر روی یک لایه اکسید ساخته می شود. لایه اکسید سپس حکاکی می شود که زیر جرم محک خالی شده و روی سطح ویفر بدون تماس قرار گیرد.

BMEcenter.ir-N0433

نوع اندازه گیری

 

ابتدا میخواهیم انواع اندازه گیری ابتدایی را توضیح دهیم. بنا بر اهدافی که این مقاله در پی آن است، اندازه گیری شتاب را به موارد زیر تقسیم کرده ایم:

 

ارتعاش – به جسمی که در محدوده یک وضعیت متعادل نوسان کند گفته میشود که ارتعاش دارد. ارتعاش یا لرزش را می توان در حمل و نقل، جو زمین، و محیطهای صنعتی یافت.

شوک یا ضربه – تحریک ناگهانی و زودگذر یک ساختار باعث ایجاد رزونانس ساختاری میشود. یک پالس ضربه می تواند در نتیجه انفجار، ضربه یک چکش، یا تصادف یک وسیله نقلیه ایجاد شود.

جنبش – عبارتست از حرکت آهسته یک رویداد مانند حرکت بازوی یک روبات.

سیزمیک (لرزش وابسته به زمین لرزه) – این رویداد بیشتر شبیه یک حرکت کند یا ارتعاش با فرکانس پایین است. اندازه گیری این کمیت به شتاب سنج ویژه با دقت تفکیک بالا و نویز کم نیاز دارد. از شتاب سنجهای سیزمیک برای اندازه گیری حرکت پلها، سطوح، و زمین لرزه استفاده میشود.

 

اساس کار سنسورهای فشار – قسمت اول (فشار استاتیکی)

برای تشریح عملکرد این دسته از سنسورها ابتدا نگاهی به روابط فیزیکی فشار می اندازیم:

فشار استاتیکی یا ایستایی که در آن فشار وارده بر جسم از طرف خود جسم بوده و تغییر نمی کند عبارتست از:

P=F/A                              (۱)

که در آن P فشار در نتیجه نیروی F وارد بر سطح A است. لفظ اندازه گیری فشار عموماً در کنار سیالات  خواه مایعات یا گازها بکار میرود. ظرف شکل یک را با مایعی موجود در آن در نظر بگیرید. این ظرف حاوی فشار P در نقطه ای با فاصله h از سطح مایع مطابق با وزن w اعمال شده از طرف مایع در آن سطح است. در این حالت خواهیم داشت:  

P=∆F/∆A=h.w                         (۲)

شکل یک: فشار در هر نقطه ای از سطح مایع محدودشده بکمک حاصلضرب وزن مایع در فاصله آن نقطه از سطح مایع بدست میآید.

از طرفی وزن یک سیّال در واحد حجم با کمک رابطه زیر قابل محاسبه است، که در آن V حجم، m جرم، و g شتاب جاذبه است:

w=m.g/V                 (۳)

لازم بذکر است که بکمک همین رابطه میتوان ارتفاع ستون مایع در یک تانک را با اندازه گیری فشار آن سنجید.

از طرفی چگالی یک سیال ρ عبارتست از :

ρ = mV     (۴)    

بنابراین از روی چگالی یک مایع در ارتفاعی مشخص میتوان فشار مایع را پیدا کرد (با فرض شتاب جاذبه معادل ۹٫۸ با دانستن چگالی از رابطه ۴، مقدار وزن سیّال در رابطه ۳ مشخص میشود. در نتیجه فشار مایه در ارتفاع h بکمک رابطه ۲ با توجه به معلوم بودن وزن سیّال قابل محاسبه است).

باید توجه داشت که کلاً فشار ناشی از ارتفاع یک ستون مایع به عملکرد فشار اتمسفر وارد شده بر سطح مایع بستگی دارد. از ترکیب روابط ۲ تا ۴ خواهیم داشت:

h=P/ρ.g       (۵)

و یا:

P=h.ρ.g             (۶)

در نتیجه فشار وارده بر سطح بالایی یک بلوک مکعبی مستطیل با سطح مقطع A شناور در آب که در ارتفاع h از سطح آب قرار دارد و دارای ضخامتی معادل L است، عبارتست از:

PD=h.ρ.g               (۷)

و فشار وارده بر سطح پایینی همین بلوک عبارتست از:

PU=(h+L).ρ.g                  (۸)

در نتیجه برآیند فشار وارده بر جسم شناور عبارتست از:

                                                     PU – PD =L.ρ.g         (۹)

شکل دو – مکعب شناور در مایع

اکنون نگاهی به اصل ارشمیدس می اندازیم. این اصل میگوید: نیروی وارد بر یک جسم شناور در آب معادل با وزن مایع جابجا شده توسط آن جسم است. در اینجا نیروی وارد بر بلوک عبارتست از: حجم بلوک (V = A.L) ضربدر وزن مایع جابجا شده و یا:

F = A.L.w      (۱۰)

که در نتیجه با کمک رابطه ۱ خواهیم داشت:

P = L.w           (۱۱)

و با در نظر گرفتن رابطه وزن سیال جابجا شده با چگالی و شتاب جاذبه (w = ρ.g)، فشار وارده بر بلوک فرضی در رابطه  ۹ مطابق بر قانون ارشمیدس اثبات میشود.

در قسمت بعدی به بحث پیرامون اندازه گیری فشار در سیّال جاری (غیر ساکن) خواهیم پرداخت.

برای نوشتن این مطالب از هندبوک جامع سنسورها، انتشارات مک گراو هیل، فصل ۶ (سنسورهای فشار ) چاپ ۲۰۰۷ استفاده شده است.

پاسخ بدهید

ایمیلتان منتشر نمیشودفیلدهای الزامی علامت دار شده اند *

*