,

بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی

کرنش مکانیکی عبارتهای تنش و کرنش غالبا در موقع استفاده با یکدیگر اشتباه می شوند و بنابراین لازم است در اینجا تعریف روشنی از این در کلمه بیان شود. کرنش نتیجه تنش است و به صورت تغییر نسبی ابعاد یک شی بیان می شود بدین معنی که تغیر بعد تقسیم بر بعد اصلی می شود به گونه ای که به عنوان مثال از نظر طولی کرنش تغییرات طول تقسیم بر طول اصلی است. این کمیتی است که یک عدد خالص بوده و حاصل تقسیم یک طول بر طول دیگر است و بنابراین دیمانسیون فیزیکی ندارد. کرنش به روشی مشابه تغییر کمیت تقسیم بر کمیت اصلی را می توان برای اندازه گیری های سطح و یا حجم تعریف کرد به عنوان مثال کرنش سطح عبارتست از تغییر سطح تقسیم بر سطح اصلی و کرنش حجم تغییرات حجم تقسیم بر حجم اصلی است. در مقابل تنش عبارتست از تقسیم مقدار نیرو بر مقدار سطح. همانگونه که درمورد یک سیم و یک میله در تنش کششس و یا فشای بهعنوان مثال تنش کششی عبارت از نیروی وارده تقسیم بر سطحی که نیرو به آن وارد می شود که آن سطحسطح مقطع سیم و یا میله است. درمورد موادی مانند مایعات و یا گازها که می توانند در تمام جهات به طور یکنواخت فشرده شوند تنش کلی نیرو بر واحد سطح است که همان فشار وارده است و کرنش تغییر حجم تقسیم بر حجم اصلی است. عمومی ترین ترانسدیوسرهای کرنش از نوع تنش مکانیکی کششی (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گیری کرنش اجازه می دهد که مقدار تنش با دانستن مدول الاستیک (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعریف هر نوع از ضریب کشسانی کرنش تنش است (که دارای واحد تنش استچون کرنش واحد فیزیکی ندارد) و کاربردی ترین مدول الاستیک مدول خطی یانگ مدول برشی (پیچش)و مدول بولک (فشار) است. برای مقادیر کوچک کرنش مقدار کرنش متناسب با تنش است و مدول الاستیک کمیتی است که نسبت کرنش تنش را در ناحیه الاستیک بیان می کند (قسمتی از نمودار کرنش- تنش که خطی است) به عنوان مثال مدول یانگ نسبت کرنش کششی تنش کششی به طور نمونه برای هر ماده به شکل سیم اندازه گیری می شود (شکل 1-1) روش اندازه گیری کلاسیک هنوز هم در آزمایشگاه مدارس مورد استفاده قرار می گیرد و درآن از یک زوج سیم بلند استفاده می شود که یکی از آنها به بار وصل شده و به سیم دیگر یک ورنیه مدرج نصب می شود. آشکارسازی و تبدیل تنش کششی در برگیرنده اندازه گیری تغییرات خصی کوچک طول یک نمونه است. این به وسیله اثر تغییرات دما که ایجاد انبساط و یا انقباض می‌کند کامل می شود. برای تغییرات حدود صفر تا 90 درجه سانتیگراد که دمای محیط اطراف ماست انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغییراتی که توسط مقادیر زیادی فشار ایجاد می شود خواهد بود. بنابراین هر سیستمی برای آشکار سازی و اندازه گیری کرنش بایستی به نحوی طراحی شود که اثرات دما بتواند جبران سازی شود. قوانینی که برای آشکار سازی کرنش خطی و یا سطحی استفاده می شود پیزورزیستیو و پیزو الکتریک نامیده می شوند. معمول ترین روش اندازه گیری کرنش با استفاده از استرین گیجهای مقاومتی محقق می شود. یکاستریم گیج مقاومتی شامل یک ماده هادی به شکل یک سیم و یا نوار نازک است که به صورتی محکم به مادهای که کرنش آن بایستی آشکار شود متصل شده است. این ماده ممکن است دیوار یک ساختمان تیغه یک توربین قسمتی از یک پل هر چیزی باشد که درآن تنش اضافی بتواند اغتشاش تهدید کننده ای آشکار کند. محکم کردن ماده مقاومتی معمولا توسط رزینهای اپوکسی (مانند آرالدیت) انجام میگیرد چون این مواد بسیار محکم هستند و عایقهای الکتریکی نیز به شمار می روند. سپس نوار استرین گیج به عنوان ییک از بازوهای مدار پلی مقاومتی به مدار وصل می شود (شکل 1-2) این یک مثال در مورد قانون پیزورزیستیو است چون برای آشکار سازی از تغییر مقاومتی که به دلیل تغییر شکل ساختمان کریستالی ماده حاصل شده است استفاده می شود. می توان با استفاده از یک استرین گیچ در ثل مقاومتی به طوری که تحت کرنش قرار نگرفته باشد به گونه ای مقایسه ای اثر تغییرات دما را به حداقل رسانید. این اقدام نه تنها به خاطر اینکه ابعاد ماده مورد بررسی در نتیجه تغییرات دما تغیر خواهد کرد بلکه به این دلیل است که خود مقاومت عنصر استرین گیچ نیز تغییر خواهد کرد. با استفاده از دو استرین گیچ یکسان که یکی از آنها تحت کرنش نباشد در مدارپل این تغییرات در مقابل یکدیگر می توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغییرات مربوط به کرنش آشکار شوند. حساسیت این نوع سنجه که غالبا سنجه پیزورزیستیو نامیده شده تحت عنوان فاکتور گیج اندازه گیری می شود. این مفهوم به عنوان نسبت تغییرات مقاومت به تغییرات کرنش معرفی می شود و به طور معمول برای سنجه از نوع سیم فلزی در حدود 2 و برای نوع نیمه هادی آن حدود 100 است. شکل 1-2 استفاده از استرین گیج- (a) شکل فیزیکی یک استرین گیج (b) یک مدار پل اندازه گیری برای استفاده استرین گیج. با استفاده از یک سنجه فعال (تحت کرنش) و یک سنجه غیر فعال (بدون قرار گرفتن تحت کرنش) در یک بازوی پل چنانچه هر دو گیج به طور یکسان تحت تاثیر دما قرار گیرند اثرات دما جبران سازی می شود. دو سنجه معمولا به صورت پهلو به پهلو قرار می گیرند اما تنها یک سنجه به طور محکم به سطح تحت کرنش وصل می شود. همان گونه که اعداد فاکتور در بالا نشان می دهند تغییر مقاومت یک گیج که با استفاده از المنتهای سیم مرسوم ساخته می شوند (که عمدتا از جنس سین نیکرن نازک هستند) خیلی کوچک است. به دلیل اینکه مقاومت یک سیم متناسب به طول آن است تغییرات نسبی مقاومت با تغییرات نسبی طول خواهد بود بهطوری که تغییرات کمتر از 10 قابل آشکارسازی است. چون مقاومت در مقایسه با مقاومت اتصالات در مدار خیلی کوچک باشد و این امر در موقع اندازه گرفتن مقدار کرنشهای کوچک اندازه گیری را غیر مطمین سازد. استفاده از نوار نیمه هادی به جای سیم فلزی اندازه گیری را بسیار آسانتر می کند چون مقاومت چنین نواری به مقدار قابل توجهی بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن تغییرات مقاومت نیز به میزان قابل توجهی می تواند بزرگتر باشد و باستثنای کاربردهایی که درآنها دمای المنت بالا است (به عنوان مثال تیغه های توربین گازی) استرین گیج از نوع نیمه هادی ترجیح داده می شود.بستن و ثابت کردن آن همانند نوع فلزی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی سطح محافظت می شود این نکته بسیا ربا اهمیت است چون اگر اتمسفر اطراف المنت گیج لایه اکسید را از بین ببرد. آنگاه قرایتهای گیج تحت تاثیر عوامل شیمیایی قرار خواهند گرفت درست همانگونه که تحت تاثیر کرنش قرار می گیرند و در نتیجه اندازه گیریها قابل اعتماد نخواهند بود. استرین گیجهای پیزوالکتریک در مواردی که اندازه گیری در مدت زمان کوتاه انجام می شود و یا اینکه مقادیر آنها سریعا تغییر می کنند مفید هستند. یک ماده پیزوالکتریک ماده ای است که وقتی کریستال آن تحت کرنش قرار می گیرد یونهای آن به صورت غیر متقارن حرکت می کنند به گونه ای که بین دو صفحه کریستال EMF تولید می شود (شکل 1-3) اگر کریستال به مقدار خیلی زیاد تحت کرنش قرار گیرد می تواند EMF بسیار زیادی حتی در حدود چند kV ایجاد کند. شکل 1-3 قوانین کریستال پیزوالکتریک . شکل کریستال مکعبی نیست ولی برای ساده تر کردن مفهوم جهت اثرات روی یک مکعب نشان داده شده اند. بیشترین اثر الکتریکی روی وجوهی از مکعب به دست می آیند که جهت آنها عمود بر وجوهی است که نیرو اعمال می شود. محور رسوم محور نوری نامیده می شود به دلیل اینکه نوری که در این جهت به کریستال تابانیده می شود بیشتر از جهات دیگر تحت تاثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد. به طوریکه گیج بتواند حس کند اماآمپدانس خروجی خیلی زیاد و معمولآ خازنی اصست. شکل 1-4 مدار معادل الکرتیکی و شکل 1-5 پاسخ فرکانسی یک کریستال کوارتز اطارف فرکانسهای رزونانس اصلی را نشان می دهد. خروجی یک استریم گیج پیزوالکتریک DC نیست لذا این نوع گیچ برای آشکار سازی تغییرات آهسته مفید استفاده نمی باشد و کاربرد اصلی آن برای آشکار سازی شتاب است. دو شکل عمده انواع عناصر استرین گیج عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روی نمودار بدین صورت بیان می شود که نمودار تعییر مقاومت نسبت به تغییرات طول در مسیر کاهش تنش دقیقا همنان مسیر مربوط به افزایش تنش را طی نمی کند. (شکب 1-6) این اثر بایستی کوچ و از مرتبه 0250 قرایت ماکزیمم باشد. شکل 1-4 مدار معادل یک کریستال که شامل یک مدار رزونانس با اندوکتانس خیلی بالا ظرفیت خازنی پایین و مقاومت تقریبآ صرفنظر کردمی است. شکل 1-5 مشخصه الکتریکی کریستال کوارتز شکل 1-6 اثر پس ماند روی یک استرن گیج که مقدار زیادی در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزایش کرنش خطی است اما زمانی که کرنش کاهش می یابد همان مسیر را نمی‌پیماید. نتیجه فوق در گیج دارای مقاومت دایما متغیر زمانی که کرنش حدی می شود اتفاق می افتد. کشش بیش از حد یک استرین گیج باعث افزایش زیاد در پس ماند می شود واگر خیلی زیاد باشد باعث می شود که گیج یک تغییر دایمی طول را نشان دهد وفیر قابل استفاده شود مگر اینکه مجددا کالیبره شود. مسیله دیگر لغزش استرین گیج است مه در نتیجه تغییر تدریجی طول المنت گیج اتفاق می افتد که ارتباطی با کرنش ماده ای که مورد اندازه گیری است ندارد. لغزش نیز بایستی خیلی کوچک و از مرتبه 0250 قرایت معمولی باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غیرخطی هستند که به هیچ وجه حذف شدنی نیستند اما با انتخاب دقیق ماده مناسب استرین گیج می توان مقادیر آنها را کاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزایش دمای کار گیج افزایش می یابند. لودسلها لودسلها در سیستمهای توزین الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. یک لودسل عبارت است از یک ترانسدیوسر نیرو که نیرو یا وزن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. اساسا لودسل از یک مجموعه استرین گیج تشکیل شده است که معمولآ چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجی مدار پل ولتاژی است که مقدار آن متناسب با نیروی وارده به لودسل است. خروجی ولتاژ مورد نظر یا به طور مستقیم پردازش می شود و یا اینکه ابتدا دیجیتایز شده سپس آماده پردازش می شود. 1-2- تداخل سنجی روش دیگری برای اندازه گیری کرنش که دارای امتیازات قابل توجهی نیز هست و حساسیت مناسبی هم دارد روش تداخل سنجی است. اگرچه وصول این روش کاملا قدیمی است اما استفاده علمی از آن تا زمانی که لیزرهای مناسب و تجهیزات وابسته به آن به همراه شیوه های الکترونیک کاربردی قرایت اندازه گیری رایج نشده بود به عهده تعویق افتاد……

410 صفحه

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

آیا می خواهید به گفتگو بپیوندید؟
احساس رایگان برای کمک!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *