【सेंसरों का सिद्धांत】 दबाव सेंसरों का कार्य सिद्धांत एवं उनके अनुप्रयोग

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इस पोस्ट को अंतिम बार वांग तियानज़े द्वारा 2016-3-22 को 15:46 बजे संपादित किया गया।
“दबाव सेंसरों की कार्यप्रणाली एवं उनके अनुप्रयोग” – दबाव सेंसर, औद्योगिक क्षेत्रों में सबसे अधिक उपयोग में आने वाले सेंसर हैं। इनका उपयोग जल-विद्युत, रेल परिवहन, स्मार्ट इमारतें, उत्पादन नियंत्रण, एयरोस्पेस, सैन्य उद्योग, पेट्रोकेमिकल, तेल कुओं, बिजली उत्पादन, जहाजरानी, मशीनरी, पाइपलाइनें आदि क्षेत्रों में किया जाता है। नीचे कुछ सामान्य दबाव सेंसरों की कार्यप्रणाली एवं उनके अनुप्रयोगों के बारे में जानकारी दी गई है। 1. स्ट्रेन गेज प्रेशर सेंसरों का सिद्धांत एवं अनुप्रयोग – यांत्रिक सेंसरों के कई प्रकार हैं; जैसे कि रेजिस्टिव स्ट्रेन गेज प्रेशर सेंसर, सेमीकंडक्टर स्ट्रेन गेज प्रेशर सेंसर, प्रेशर-रेजिस्टिव सेंसर, इंडक्टिव सेंसर, कैपेसिटिव सेंसर, रेजोनेंट सेंसर, एवं कैपेसिटिव एक्सेलरेशन सेंसर आदि। लेकिन सबसे अधिक उपयोग में आने वाला सेंसर “प्रेशर-रेजिस्टिव प्रेशर सेंसर” है; इसकी कीमत बहुत कम होती है, सटीकता अधिक होती है, एवं इसमें अच्छी रैखिक विशेषताएँ भी होती हैं। आगे हम मुख्य रूप से इस प्रकार के सेंसरों के बारे में जानकारी देंगे। वोल्टेज-रेजिस्टेंस आधारित बल सेंसरों को समझने हेतु, सबसे पहले हमें “रेजिस्टेंस स्ट्रेन गेज” नामक घटक के बारे में जानना आवश्यक है। रेजिस्टेंस स्ट्रेन गेज, वह संवेदनशील उपकरण है जो किसी परीक्षणाधीन वस्तु पर होने वाले तनाव-परिवर्तनों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है। यह, प्रेशर-रेजिस्टिव स्ट्रेन सेंसर के मुख्य घटकों में से एक है। प्रतिरोध-स्ट्रेन गेजों में सबसे अधिक उपयोग में आने वाले प्रकार हैं – धातु-प्रतिरोध-स्ट्रेन गेज एवं सेमीकंडक्टर-स्ट्रेन गेज। धातु आधारित स्ट्रेन गेजों में दो प्रकार होते हैं – तंतु-रूपी स्ट्रेन गेज एवं धातु-पतली चादर रूपी स्ट्रेन गेज। आम तौर पर, स्ट्रेन गेज को विशेष चिपकने वाले पदार्थ की मदद से, उस सतह पर मजबूती से चिपका दिया जाता है जहाँ यांत्रिक तनाव उत्पन्न होता है। जब उस सतह पर बल लगने से तनाव में परिवर्तन होता है, तो स्ट्रेन गेज भी विकृत हो जाता है; इस कारण स्ट्रेन गेज का प्रतिरोध मान भी बदल जाता है, और इसके परिणामस्वरूप उस पर लगने वाले वोल्टेज में भी परिवर्तन हो जाता है। दबाव के प्रभाव में ऐसे स्ट्रेन गेजों में उत्पन्न होने वाला प्रतिरोध-मान में परिवर्तन आम तौर पर बहुत कम होता है। ऐसे स्ट्रेन गेजों को आमतौर पर “स्ट्रेन ब्रिज” के रूप में ही उपयोग में लाया जाता है; इनका संकेत बाद में एम्प्लीफायर द्वारा बढ़ाया जाता है, और फिर उसे प्रोसेसिंग सर्किट (आमतौर पर A/D कनवर्टर एवं CPU) तक भेजा जाता है, ताकि वहाँ उसका उपयोग डेटा प्रदर्शन या किसी यंत्र को संचालित करने हेतु किया जा सके। धातु रेजिस्टेंस स्ट्रेन गेज की आंतरिक संरचना – रेजिस्टेंस स्ट्रेन गेज, बेस मटेरियल, धातु से बने स्ट्रेन वायर/फॉइल, इन्सुलेशन पदार्थ, एवं आउटपुट वायरों जैसे घटकों से मिलकर बना होता है। विभिन्न उद्देश्यों के अनुसार, रेजिस्टेंस स्ट्रेन गेज का प्रतिरोध मान डिज़ाइनर द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। लेकिन प्रतिरोध मान की सीमा का ध्यान रखना आवश्यक है – यदि प्रतिरोध मान बहुत कम हो, तो आवश्यक ड्राइव धारा बहुत अधिक हो जाती है; साथ ही, स्ट्रेन गेज से उत्पन्न ऊष्मा के कारण इसका तापमान बहुत अधिक हो जाता है। विभिन्न वातावरणों में इसके उपयोग से स्ट्रेन गेज का प्रतिरोध मान बहुत अधिक बदल जाता है, जिससे आउटपुट में विचलन हो जाता है। ऐसी स्थिति में जीरो-सेटिंग सर्किट बहुत ही जटिल हो जाता है। और प्रतिरोध बहुत अधिक है; इम्पीडेंस भी बहुत ज्यादा है। इस कारण, बाहरी विद्युत-चुम्बकीय हस्तक्षेपों का सामना करने की क्षमत आम तौर पर, यह मान कुछ दर्जन ओह्म से लेकर कुछ दर्जन हजार ओह्म तक होता है। विरोधक-तनाव सेंसरों का कार्य सिद्धांत: धातुओं से बने विरोधक-तनाव सेंसरों में, आधार सामग्री पर लगे विरोधकों का प्रतिरोध मान, यांत्रिक विरूपण के कारण बदल जाता है। इसी घटना को “विरोधक-तनाव प्रभाव” कहा जाता है। धातुओं के चालकों का प्रतिरोध मान निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:
जहाँ,
ρ – धातु चालक की प्रतिरोधकता (Ω·cm²/m)
S – चालक का क्षेत्रफल (cm²)
L – चालक की लंबाई (m)

उदाहरण के लिए, यदि किसी धातु तार पर बाहरी बल लगे, तो उसकी लंबाई एवं क्षेत्रफल दोनों में परिवर्तन हो जाता है। ऊपर दिए गए सूत्र से यह स्पष्ट है कि ऐसी स्थिति में चालक का प्रतिरोध मान भी बदल जाता है। यदि धातु तार बाहरी बल के कारण लंबा हो जाए, तो उसकी लंबाई बढ़ जाती है, जबकि क्षेत्रफल कम हो जाता है; इससे प्रतिरोध मान भी बढ़ जाता है। जब धातु के तार पर बाहरी बल लगता है, तो वह संपीड़ित हो जाता है। ऐसी स्थिति में उसकी लंबाई कम हो जाती है, जबकि उसका अनुप्रस्थ क्षेत्रफल बढ़ जाता है। इसके परिणामस जब रेजिस्टर पर लगने वाले वोल्टेज में होने वाले परिवर्तनों को मापा जाता है (आमतौर पर रेजिस्टर के दोनों सिरों पर लगने वाले वोल्टेज को मापकर), तो स्ट्रेन्ड मेटल वायर में होने वाले स्ट्रेन की जानकारी प्राप्त की जा सकती है। 2. सिरेमिक प्रेशर सेंसरों का सिद्धांत एवं अनुप्रयोग
क्षय-प्रतिरोधी सिरेमिक प्रेशर सेंसरों में कोई तरल पदार्थ नहीं होता; दबाव सीधे सिरेमिक झिल्ली की सामने की सतह पर लगता है, जिससे झिल्ली में सूक्ष्म परिवर्तन होता है। सिरेमिक झिल्ली की पिछली सतह पर मोटी तह वाले प्रतिरोधक छापे जाते हैं, जिनके द्वारा एक “वीस्टन ब्रिज” बनता है। दबाव-संवेदनशील प्रतिरोधकों के कारण, इस ब्रिज से ऐसा वोल्टेज संकेत प्राप्त होता है, जो दबाव के अनुपात में होता है, एवं उत्तेजना वोल्टेज के अनुपात में भी होता है। मानक संकेतों को दबाव की मात्रा के आधार पर 2.0/3.0/3.3 मिलीवोल्ट/वोल्ट आदि के रूप में निर्धारित किया जाता है। ऐसे सेंसर, स्ट्रेन-आधारित सेंसरों के साथ भी काम कर सकते हैं। लेजर कैलिब्रेशन के माध्यम से, सेंसर में उच्च तापमान स्थिरता एवं समय स्थिरता होती है। इस सेंसर में 0–70℃ की सीमा में तापमान-संबंधी सुधार की सुविधा भी है; इसके अलावा, यह अधिकांश प्रकार के पदार्थों के साथ सीधे संपर्क में आ सकता है। सिरेमिक, उच्च लचीलापन, जंग-प्रतिरोधकता, क्षरण-प्रतिरोधकता, झटकों एवं कंपनों के विरुद्ध प्रतिरोधकता जैसे गुणों के कारण एक बेहतरीन सामग्री मानी जाती ह सिरेमिक की ऊष्मा-स्थिरता एवं इसकी मोटी परतों के कारण इसका कार्य-तापमान सीमा -40 से 135°C तक हो सकता है। इसके अलावा, इसमें मापन हेतु उच्च सटीकता एवं स्थिरता भी होती है। विद्युत इन्सुलेशन स्तर > 2kV, आउटपुट सिग्नल मजबूत है, एवं दीर्घकालिक स्थिरता भी अच्छी है। उच्च गुणवत्ता एवं कम कीमत वाले सिरेमिक सेंसर, दबाव सेंसरों के विकास की दिशा हैं। यूरोप एवं अमेरिका में ऐसे सेंसरों का उपयोग अन्य प्रकार के सेंसरों के स्थान पर बढ़ रहा है; चीन में भी धीरे-धीरे अधिक से अधिक उपयोगकर्ता डिफ्यूज्ड सिलिकॉन आधारित दबाव सेंसरों के स्थान पर सिरेमिक सेंसरों का उपयोग कर रहे हैं। 3. डिफ्यूज्ड सिलिकॉन प्रेशर सेंसर – सिद्धांत एवं अनुप्रयोग
कार्य सिद्धांत: मापे जाने वाले माध्यम का दबाव सीधे सेंसर की झिल्ली (स्टेनलेस स्टील या सिरेमिक से बनी) पर लगता है; इस कारण झिल्ली में माध्यम के दबाव के अनुपात में हल्का विस्थापन हो जाता है। इससे सेंसर का विरोधक मान बदल जाता है। इलेक्ट्रॉनिक सर्किट इस परिवर्तन को मापता है, एवं उस दबाव के अनुरूप एक मानक मापन संकेत उत्पन्न करता है। 4. सैफायर प्रेशर सेंसर का सिद्धांत एवं अनुप्रयोग: इसमें स्ट्रेन-रेजिस्टर तकनीक का उपयोग किया जाता है; सिलिकॉन-सैफायर को अर्धचालक संवेदक घटक के रूप में इस्तेमाल किया जाता है। इसकी मापन क्षमताएँ अत्यंत उत्कृष्ट होती हैं। नीलम, एकल-क्रिस्टलीय इंसुलेटर तत्वों से बना होता है; इसमें विलंब, थकान या क्रीपेज जैसी समस्याएँ नहीं होतीं। ； नीलम, सिलिकॉन की तुलना में अधिक मजबूत होता है; इसकी कठोरता भी अधिक होती है, एवं यह आकार म ； रूबी में बहुत अच्छी लचीलापन एवं इन्सुलेशन क्षमता होती है (1000 डिग्री सेल्सियस तक)। इसलिए, सिलिकॉन-रूबी से बने अर्धचालक संवेदक तापमान परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील नहीं होते; उच्च तापमान की स्थितियों में भी इनका कार्य करने की क्षमता बनी रहती है। ； रूबी में विकिरण-प्रतिरोधक क्षमता बहुत ही उच्च होती है। ； इसके अलावा, सिलिकॉन-सफ़ायर सेमीकंडक्टर संवेदक घटकों में p-n ड्रिफ्ट नहीं होता; इस कारण निर्माण प्रक्रिया सरल हो जाती है, पुनरावृत्ति की क्षमता बढ़ जाती है, एवं उत्पादन की गुणवत्ता भी सुनिश्चित हो जाती है। सिलिकॉन-सफ़ायर सेमीकंडक्टर आधारित संवेदनशील घटकों का उपयोग करके बनाए गए प्रेशर सेंसर एवं ट्रांसमीटर, सबसे कठिन कार्य परिस्थितियों में भी सही ढंग से काम करते हैं। इनकी विश्वसनीयता उच्च है, सटीकता अच्छी है, तापमान संबंधी त्रुटियाँ न्यूनतम हैं, एवं इनकी लागत-प्रभावशीलता भी अच्छी है। गेज प्रेशर सेंसर एवं ट्रांसमीटर, दो झिल्लियों से बने होते हैं – टाइटेनियम मिश्रधातु से बनी मापन झिल्ली, एवं टाइटेनियम मिश्रधातु से बनी संवेदनशील झिल्ली। विषम-विस्तारीय तनाव-संवेदनशील ब्रिज सर्किट वाली नीलम की पतली परतों को, टाइटेनियम मिश्रधातु से बनी मापन प्लेटों पर जोड़ दिया गया है। मापे जा रहे दबाव को रिसीविंग डायाफ्राम तक पहुँचाया जाता है (रिसीविंग डायाफ्राम, मापन डायाफ्राम से रॉडों के माध्यम से मजबूती से जुड़ा होता है)। दबाव के प्रभाव में, टाइटेनियम मिश्रधातु से बने डायाफ्राम में विकृति उत्पन्न हो जाती है। सिलिकॉन-सफ़ायर आधारित संवेदक उपकरण इस विकृति को महसूस करता है; जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रिक ब्रिज से प्राप्त संकेतों में परिवर्तन हो जाता है। यह परिवर्तन, मापे गए दबाव के अनुपात में ही होता है। सेंसर का सर्किट, स्ट्रेन ब्रिज सर्किट को आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने में सहायक होता है; साथ ही, स्ट्रेन ब्रिज से प्राप्त असंतुलन संकेतों को एक समान विद्युत संकेत में परिवर्तित करके आउटपुट के रूप में देता है (0-5, 4-20mA या 0-5V)। एब्सोल्यूट प्रेशर सेंसरों एवं ट्रांसमीटरों में, सफ़ेद रंग की स्फ़ेयर शीटें, सिरेमिक-आधारित ग्लास सोल्डर के साथ जुड़कर एक “लचीले घटक” का कार्य करती हैं; इनके द्वारा मापे जाने वाले दबाव को तनाव-परिवर्तनों में परिवर्तित किया जाता है, जिससे दबाव का मापन संभव हो पाता है। 5. पाइजोइलेक्ट्रिक दबाव सेंसरों का सिद्धांत एवं अनुप्रयोग: पाइजोइलेक्ट्रिक सेंसरों में मुख्य रूप से क्वार्ट्ज, पोटैशियम सोडियम टार्टरेट एवं डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट जैसी पाइजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का उपयोग किया जाता है। इनमें से क्वार्ट्ज (सिलिका डाइऑक्साइड) एक प्राकृतिक क्रिस्टल है। पीजोइलेक्ट्रिक गुण भी इसी क्रिस्टल में पाया जाता है। निश्चित तापमान सीमा के भीतर यह पीजोइलेक्ट्रिक गुण बना रहता है; लेकिन जब तापमान इस सीमा से ऊपर चला जाता है, तो यह गुण पूरी तरह से गायब हो जाता है। यह उच्च तापमान ही “क्यूरी बिंदु” कहलाता है। चूँकि तनाव में परिवर्तन होने पर विद्युत क्षेत्र में बहुत ही मामूली परिवर्तन होता है (अर्थात् पाइजोइलेक्ट्रिक गुणांक कम होता है), इसलिए क्वार्ट्ज की जगह धीरे-धीरे अन्य पाइजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टलों ने ले ली। जबकि पोटैशियम सोडियम टार्टरेट में उच्च पाइजोइलेक्ट्रिक संवेदनशीलता एवं पाइजोइलेक्ट्रिक गुणांक होता है; लेकिन इसका उपयोग केवल कम तापमान एवं आर्द्रता वाले वातावरण में ही संभव है। डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट एक कृत्रिम क्रिस्टल है; यह उच्च तापमान एवं अपेक्षाकृत उच्च आर्द्रता को सह सकता है, इसी कारण इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अब पाइजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग बहुक्रिस्टलीय पदार्थों में भी किया जाता है; जैसे कि पाइजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक्स – जिसमें बेरियम टाइटेटेट पाइजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक्स, PZT, नियोबेट सीरीज़ के पाइजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक्स, लेड नियोबियम मैग्नेशिएट पाइजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक्स आदि शामिल हैं। दबाव-विद्युत प्रभाव, दबाव-विद्युत सेंसरों का मुख्य कार्य सिद्धांत है। दबाव-विद्युत सेंसरों का उपयोग स्थिर अवस्थाओं में मापन हेतु नहीं किया जा सकता; क्योंकि बाहरी बलों के प्रभाव से उत्पन्न आवेश, केवल तभी संरक्षित रह सकता है, जब परिपथ का इनपुट इम्पीडेंस अनंत हो। वास्तविकता में ऐसा नहीं है; इसलिए यही कारण है कि पाइजोइलेक्ट्रिक सेंसर केवल गतिशील तनावों को ही माप सकते हैं। पाइजोइलेक्ट्रिक सेंसरों का उपयोग मुख्य रूप से त्वरण, दबाव एवं बल आदि के मापन हेतु किया जाता है। पीजोइलेक्ट्रिक त्वरण संवेदक, एक सामान्य रूप से उपयोग में आने वाला त्वरण मापक है। इसकी सरल संरचना, छोटा आकार, हल्का वजन, एवं लंबा उपयोगी जीवनकाल जैसी उत्कृष्ट विशेषताएँ हैं। एलेक्ट्रोकेमिकल त्वरण सेंसरों का उपयोग विमानों, कारों, जहाजों, पुलों एवं इमारतों में होने वाले कंपन एवं झटकों को मापने हेतु व्यापक रूप से किया जाता है। विशेष रूप से विमानन एवं अंतरिक्ष उद्योगों में इनका बहुत ही महत्वपूर्ण स्थान है। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसरों का उपयोग, इंजन के अंदर होने वाले दहन दबाव एवं वैक्यूम स्तर को मापने हेतु भी किया जा सकता है। इसका उपयोग **औद्योगिक क्षेत्र में भी किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, इसका उपयोग बंदूकों/तोपों में गोलियों के फायर होने के क्षण में नली के अंदर के दबाव में होने वाले परिवर्तनों, एवं तोप के मुँह से निकलने वाली ध्वनि-तरंगों के दबाव को मापन इसका उपयोग चाहे बड़े दबावों को मापने हेतु किया जा सकता है, और चाहे सूक्ष्म दबावों को मापने हेतु भी।