【مبدأ عمل الحساسات】 مبدأ عمل حساسات الضغط وتطبيقاتها

Thread Content

تم تعديل هذا المنشور آخر مرة بواسطة وانغ تيانزه في تاريخ 2016-3-22 الساعة 15:46. مبدأ عمل أجهزة استشعار الضغط وتطبيقاتها – نقلاً عن… تُعد أجهزة استشعار الضغط من أكثر أنواع الحساسات استخدامًا في المجال الصناعي، حيث تُستخدم على نطاق واسع في مختلف البيئات الصناعية المتعلقة بالري والطاقة الكهرومائية، والنقل بالسكك الحديدية، والمباني الذكية، والتحكم الآلي في الإنتاج، والطيران والفضاء، والصناعات العسكرية، وصناعة البتروكيماويات، وآبار النفط، وقطاع الطاقة، والسفن، والآلات الصناعية، والأنابيب، وغيرها من الصناعات. فيما يلي شرح مختصر لمبادئ بعض أجهزة الاستشعار الشائعة وتطبيقاتها. ١. مبدأ وتطبيقات مستشعرات الضغط ذات شرائح التوتر: هناك أنواع عديدة من مستشعرات القوى، مثل مستشعرات الضغط ذات شرائح التوتر المقاومية، ومستشعرات الضغط ذات شرائح التوتر الشبه موصلة، ومستشعرات الضغط الضغطي، ومستشعرات الضغط الحثية، ومستشعرات الضغط الكهربائية السعوية، ومستشعرات الضغط الترددية، بالإضافة إلى مستشعرات التسارع الكهربائية السعوية. لكن أكثر أنواع أجهزة استشعار الضغط شيوعًا هي أجهزة الاستشعار الضغطية القائمة على مبدأ المقاومة، والتي تتميز بسعر منخفض للغاية ودقة عالية بالإضافة إلى خصائص خطية جيدة. فيما يلي، سنقدم بشكل أساسي هذه الفئة من الحساسات. عند التعرف على مستشعرات القوة الضغطية، يجب أولاً أن نتعرف على عنصر شريحة المقاومة المتغيرة. جهاز قياس المقاومة الناتجة عن التوتر هو جهاز حساس يقوم بتحويل التغيرات في التوتر في الجسم المراد قياسه إلى إشارة كهربائية. إنه أحد المكونات الرئيسية لمستشعرات التوتر من نوع الضغط-المقاومة. أكثر أنواع مقاييس المقاومة استخدامًا هي مقاييس المقاومة المعدنية ومقاييس المقاومة الشبه موصلة. هناك نوعان من مقاييس المقاومة المعدنية لقياس الإجهاد: مقاييس الإجهاد على شكل أسلاك، ومقاييس الإجهاد على شكل أوراق معدنية. عادةً ما يتم لصق شرائح الإجهاد بإحكام على الركيزة التي تتعرض للإجهاد الميكانيكي باستخدام مادة لاصقة خاصة، وعندما تتغير الإجهادات في الركيزة نتيجة تطبيق قوة ما، فإن شرائح الإجهاد تتشوه أيضًا، مما يؤدي إلى تغيير قيمة المقاومة الخاصة بها، وبالتالي يتغير الجهد المطبق على هذه المقاومة. عادةً ما يكون التغير في قيمة المقاومة الناتج عن هذه الشرائح تحت تأثير الضغط ضئيلاً، وغالبًا ما تُستخدم هذه الشرائح في بناء جسور كهربائية لقياس التوتر، ثم يتم تضخيم الإشارة باستخدام مضخمات خاصة، وبعد ذلك يتم إرسالها إلى الدوائر المعالجة (عادةً محولات A/D ووحدة المعالجة المركزية) لعرض النتائج أو تشغيل الآلات. البنية الداخلية لحساسات الإجهاد المعدنية: يتكون حساس الإجهاد من مادة الأساس، وخيط أو رقيقة معدنية للإجهاد، وطبقة عازلة واقية، وأسلاك توصيل وغيرها. ووفقًا للاستخدامات المختلفة، يمكن للمصمم تحديد قيمة المقاومة في شرائح الإجهاد، ولكن يجب الانتباه إلى نطاق قيم المقاومة: فإذا كانت القيمة صغيرة جدًا، فإن التيار المطلوب لتشغيل الشريحة سيكون كبيرًا، كما أن ارتفاع درجة حرارة الشريحة نفسها بسبب التسخين سيكون مشكلة. وفي بيئات مختلفة، قد تتغير قيمة المقاومة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تغير واضح في نقطة الصفر، ويجعل دوائر ضبط الصفر معقدة للغاية. والمقاومة كبيرة جدًا، والمقاومة الكهربائية مرتفعة أيضًا، مما يجعل القدرة على مقاومة التداخلات الكهرومغناطيسية الخارجية ضعيفة. عادةً ما يتراوح بين عدة عشرات من الأوهم إلى عدة عشرات من الكيلوأوهم. مبدأ عمل مقاومات الإجهاد: يعتمد مبدأ عمل مقاومات الإجهاد المعدنية على ظاهرة تغير قيمة المقاومة نتيجة للتشوه الميكانيكي، حيث تلتصق هذه المقاومات بالمادة الأساسية، ويُطلق على هذه الظاهرة اسم تأثير الإجهاد المقاومي. يمكن التعبير عن قيمة المقاومة الكهربائية للموصلات المعدنية باستخدام المعادلة التالية:
حيث:
ρ – معامل المقاومة الكهربائية للموصل المعدني (Ω·سم²/م)
S – مساحة المقطع العرضي للموصل (سم²)
L – طول الموصل (متر)
لنأخذ مثالًا على ذلك سلكًا معدنيًا؛ فعندما يتعرض السلك لقوة خارجية، فإن طوله ومساحة مقطعه العرضي تتغيران. ومن المعادلة أعلاه، يمكننا أن نرى بسهولة أن قيمة المقاومة الكهربائية ستتغير أيضًا. فإذا امتد السلك بسبب تأثير قوة خارجية، فإن طوله سيزداد ومساحة مقطعه العرضي ستقل، وبالتالي ستزداد قيمة المقاومة الكهربائية. عندما يتعرض السلك المعدني لقوة خارجية فيتقلص، فإن طوله ينقص ومساحة مقطعه العرضي تزداد، مما يؤدي إلى انخفاض قيمة مقاومته. يمكن معرفة مستوى التوتر في السلك المعدني، وذلك بقياس التغيرات التي تحدث في المقاومة (وعادةً ما يتم ذلك عن طريق قياس الجهد على طرفي المقاومة). ٢. مبدأ وتطبيقات مستشعرات الضغط الخزفية: تتميز مستشعرات الضغط الخزفية المقاومة للتآكل بعدم الحاجة إلى وسيط سائل، حيث يؤثر الضغط مباشرة على السطح الأمامي للغشاء الخزفي، مما يؤدي إلى حدوث تغيير طفيف في شكل الغشاء. أما المقاومات الكهربائية فهي مطبوعة على الجانب الخلفي للغشاء الخزفي، وتشكل جسرًا كهربائيًا من نوع “وايس”. وبفضل تأثير المقاومة الكهربائية الناتج عن الضغط، يتم إنتاج إشارة كهربائية خطية بشكل كبير، وهذه الإشارة تتناسب طرديًا مع الضغط وكذلك مع الجهد المستخدم لتحفيز المستشعر. يتم تحديد قيمة الإشارة القياسية حسب نطاق الضغط، وتكون عادةً 2.0/3.0/3.3 ميلي فولت لكل فولت، ويمكن دمج هذه المستشعرات مع مستشعرات الإجهاد. بفضل المعايرة بالليزر، يتمتع الحساس باستقرار عالٍ في درجة الحرارة والزمن، كما أنه يحتوي على نظام تعويض لدرجة الحرارة في النطاق من 0 إلى 70 درجة مئوية، ويمكنه التواصل مباشرة مع معظم الوسائط. السيراميك هو مادة معترف بها بخصائصها العالية في المرونة، ومقاومة التآكل، ومقاومة البلى، ومقاومة الصدمات والاهتزازات. تتيح الخصائص الحرارية المستقرة للسيراميك، بالإضافة إلى مقاومتها العالية في الطبقات السميكة، عملها في نطاق درجات حرارة تصل إلى -40 إلى 135 درجة مئوية، كما أنها تتمتع بدقة عالية واستقرار كبير في القياسات. مستوى العزل الكهربائي >2 كيلوفولت، إشارة الخرج قوية، والاستقرار على المدى الطويل جيد. ستكون أجهزة الاستشعار الخزفية ذات الخصائص الممتازة والأسعار المنخفضة هي الاتجاه الرئيسي في تطور أجهزة استشعار الضغط، حيث يوجد اتجاه لاستبدالها بشكل كامل بأنواع أخرى من أجهزة الاستشعار في أوروبا وأمريكا، كما يزداد عدد المستخدمين في الصين الذين يستخدمون أجهزة الاستشعار الخزفية بدلاً من أجهزة استشعار الضغط المصنوعة من السيليكون. ٣. مبدأ عمل وتطبيقات مستشعرات الضغط المصنوعة من السيليكون المنتشر
مبدأ العمل: يؤثر ضغط المادة المراد قياسها مباشرة على الغشاء الموجود في المستشعر (سواء كان من الفولاذ المقاوم للصدأ أو السيراميك)، مما يؤدي إلى حدوث انزياح طفيف في الغشاء بمقدار يتناسب مع ضغط المادة. وهذا بدوره يؤدي إلى تغيير في قيمة المقاومة الكهربائية للمستشعر، ويتم اكتشاف هذا التغيير باستخدام الدوائر الإلكترونية، ثم يتم تحويله إلى إشارة قياسية تتناسب مع ذلك الضغط. 4. مبدأ تطبيقات مستشعر الضغط من الياقوت: يعتمد على مبدأ التشغيل بمقاومة الإجهاد، ويستخدم السيليكون-الياقوت كعنصر حساس شبه موصل، مما يمنحه خصائص قياس لا مثيل لها. يتكون الياقوت من عنصر عازل أحادي البلورة، ولا يحدث له ظواهر التأخر أو التعب أو الانبساط ； الياقوت أكثر صلابة من السيليكون، وله قوة تحمل أعلى، كما أنه لا يتأثر بالتشوه ； يتمتع الياقوت بمرونة وخصائص عازلة ممتازة (في نطاق درجات الحرارة حتى 1000 مئوية)، ولذلك فإن المكونات شبه الموصلة المصنوعة من السيليكون والياقوت لا تتأثر بتغيرات درجات الحرارة، وتحافظ على خصائص تشغيلية جيدة حتى في الظروف الحرارية العالية ； خصائص المقاومة للإشعاع لدى الياقوت الأزرق قوية للغاية ； بالإضافة إلى ذلك، فإن المكونات النصفية المصنوعة من السيليكون والياقوت الأزرق لا تحتوي على تأثير التدفق p-n، ولذلك فإن ذلك يسهل عملية التصنيع بشكل كبير، كما يزيد من دقة النتائج، ويضمن معدل نجاح عالٍ في التصنيع. أجهزة استشعار الضغط والمرسلات المصنوعة باستخدام مكونات أشباه الموصلات من السيليكون والياقوت الأزرق، يمكنها العمل بشكل طبيعي في أقسى ظروف العمل، كما أنها تتمتع بموثوقية عالية ودقة جيدة، بالإضافة إلى خطأ درجة حرارة منخفض للغاية وسعر ممتاز مقارنة بالأداء. يتكون مستشعر الضغط والمرسل تحت الضغط من غشاءين: غشاء قياس من سبائك التيتانيوم وغشاء استقبال من سبائك التيتانيوم. تم لحام شريحة الياقوت الأزرق المطبوع عليها دارة جسر كهربائي حساسة للإجهاد ذات تمدد غير متجانس، على غشاء القياس المصنوع من سبيكة التيتانيوم. يتم نقل الضغط المراد قياسه إلى الغشاء المستقبل للضغط (حيث يتم ربط الغشاء المستقبل بالغشاء المستخدم في القياس بواسطة قضبان تثبيت قوية). تحت تأثير الضغط، يتعرض الغشاء الموجود في سبيكة التيتانيوم للتشوه، وعندما يكتشف الجزء الحساس المصنوع من السيليكون-الياقوت هذا التشوه، فإن مخرجات الجسر الكهربائي تتغير، ويكون مقدار التغيير متناسبًا مع الضغط المقاس. يمكن لدائرة التحسيس أن تضمن تزويد دائرة جسر الإجهاد بالطاقة، وتحويل إشارة عدم التوازن في جسر الإجهاد إلى إشارة كهربائية موحدة للإخراج (0-5، 4-20 مللي أمبير أو 0-5 فولت). في أجهزة استشعار الضغط والمرسلات ذات الضغط المطلق، يعمل رقيقة الياقوت، المتصلة بلحام زجاجي على قاعدة من السيراميك، كعنصر مرن؛ حيث تحول الضغط المقاس إلى تشوه في شريحة القياس، وبذلك يتحقق قياس الضغط. 5. مبدأ وتطبيقات مستشعرات الضغط الكهروضوئية: تشمل المواد الكهروضوئية المستخدمة في مستشعرات الضغط الكهروضوئية الكوارتز، وكبريتات البوتاسيوم والصوديوم، وفوسفات الأمونيوم ثنائي الهيدروجين. من بين هذه المواد، الكوارتز (ثاني أكسيد السيليكون) هو بلورة طبيعية؛ وقد تم اكتشاف التأثير الكهربائي الضاغط في هذه البلورة. ضمن نطاق درجات حرارة معين، تظل الخصائص الكهربائية الضاغطة قائمة، لكن عندما تتجاوز درجة الحرارة هذا النطاق، فإن هذه الخصائص تختفي تمامًا (وهذه الدرجة الحرارية تُعرف بـ “نقطة كوري”). نظرًا لأن التغير في المجال الكهربائي يكون طفيفًا مع تغير الإجهاد (أي أن معامل الضغط الكهربائي منخفض نسبيًا)، فقد تم استبدال الكوارتز تدريجيًا ببلورات ضغط كهربائية أخرى. أما كربونات البوتاسيوم والصوديوم فهي تتمتع بحساسية كهروضوئية عالية ومعامل كهروضوئي كبير، لكن يمكن استخدامها فقط في بيئات ذات درجة حرارة منخفضة ورطوبة منخفضة. يُعد فوسفات الأمونيوم ثنائي الهيدروجين بلورة صناعية، قادرة على تحمل درجات حرارة عالية ورطوبة مرتفعة نسبيًا، ولذلك تم استخدامها على نطاق واسع. حالياً، يُستخدم التأثير الكهربائي الضاغط أيضاً في الأجسام المتعددة البلورات، مثل السيراميكات الكهربائية الضاغطة الحديثة، بما في ذلك سيراميك ثاني أكسيد التيتانيوم الكهربائي الضاغط، وPZT، والسيراميكات الكهربائية الضاغطة من عائلة النيوبات، وسيراميك نيوبات الرصاص والمغنيسيوم الكهربائي الضاغط، وغيرها. التأثير الكهروضوئي هو المبدأ الأساسي الذي يعمل عليه أجهزة الاستشعار الكهروضوئية. لا يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الكهروضوئية في القياسات الثابتة، لأن الشحنة الناتجة عن تأثير قوى خارجية لا يمكن الحفاظ عليها إلا إذا كان مقاومة الدخل في الدائرة لا نهائية. الواقع ليس كذلك، ولهذا فإن المستشعرات الكهربائية الضاغطة لا يمكنها قياس إلا الإجهادات الديناميكية. تُستخدم أجهزة الاستشعار الكهروضوئية بشكل رئيسي في قياس التسارع والضغط والقوى وما إلى ذلك. مستشعر التسارع الكهروضوئي هو نوع شائع من مقاييس التسارع. يتمتع بمزايا ممتازة مثل التصميم البسيط، والحجم الصغير، والوزن المنخفض، وفترة الاستخدام الطويلة. لقد تم استخدام أجهزة استشعار التسارع الكهروضوئية على نطاق واسع في قياس الاهتزازات والصدمات في الطائرات والسيارات والسفن والجسور والمباني، وبشكل خاص فإن لها أهمية كبيرة في مجالات الطيران والفضاء. يمكن أيضًا استخدام المستشعرات الكهروضوئية لقياس ضغط الاحتراق داخل المحرك وقياس مستوى الفراغ. يمكن أيضًا استخدامه في **الصناعة، مثل قياس تغيرات ضغط الغرفة في لحظة إطلاق رصاصات المدافع داخل السبطانة، بالإضافة إلى ضغط الموجات الصدمية عند فوهة المدفع. يمكن استخدامه لقياس الضغوط العالية، كما يمكن استخدامه لقياس الضغوط المنخفضة جدًا.