سنسور فشار چیست و چگونه کار میکند؟

ساختار سنسورهای فشار

ساختار سنسور را تا حدی اصول عملکرد آن (مطلق، گیج و اختلافی) تعیین می‌کند. یک سنسور فشار مطلق ممکن است به‌ صورتی طراحی شود که بسته به موقعیت نصب (روی بُرد یک مدار یا تابلو (Panel))، به فشار اعمال شده از طرف بالا یا طرف پایین پاسخ دهد. به عنوان مثال، ساخت یک پورت برای ورود فشار از طرف بالا ممکن است سنسور را در معرض خطراتی مانند صدمات فیزیکی یا آلودگی توسط غبار و رطوبت قرار دهد. برای غلبه بر این مشکل، سنسوری با ورودی از سمت پایین انتخاب می‌شود. شکل زیر مقایسه این دو ساختار را با یکدیگر نشان می‌دهد.

یک سنسور گیج معمولا به صورتی طراحی می‌شود که همزمان فشار اتمسفری به یک سمت و فشار مورد اندازه‌گیری به سمت دیگر آن قابل اعمال باشد. به‌ طور مشابه، یک سنسور اختلافی دارای دو پورت خواهد بود که از طریق آن‌ها هر کدام از فشارهای مورد اندازه‌گیری با المان اندازه‌گیری در تماس هستند. تصویر زیر ساختار سنسورهای گیج و اختلافی را با یکدیگر مقایسه می‌کند.

سنسور فشار، ترانسدیوسر یا ترانسمیتر؟

ذکر این نکته بسیار مهم است که سنسور فشار یک واژه عمومی برای توصیف تجهیزات اندازه‌گیری فشار است. اما بسته به طراحی مدار الکتریکی متناظر، ممکن است این عنصر سنسور یا ترانسدیوسر یا ترانسمیتر باشد. المان اندازه‌گیری که وظیفه شناسایی و اندازه‌گیری تاثیرات فشار وارده را بر عهده دارد، خروجی‌ را تولید می‌کند که نمی‌تواند مستقیما در یک مدار الکتریکی (مانند یک سیستم مبتنی بر میکروکنترلر) مورد استفاده قرار گیرد. پاسخ فیزیکی باید به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود و سپس یک مدار کاندیشنر یا حالت دهنده سیگنال (Signal Conditioner) مورد نیاز است تا سیگنالی مناسب و قابل استفاده به دست آید.

سنسور فشار

ولتاژ خروجی یک سنسور فشار متناسب با فشاری است که به آن وارد می‌شود. اصطلاح سنسور معمولا به المان فیزیکی که فشار را تشخیص می‌دهد، اشاره می‌کند. سنسورهای فشار نصب شده بر روی برد به صورت پکیجی (Packaged) موجود هستند، اما نیاز است مهندس طراح کالیبراسیون، جبران‌ساز دمایی و تقویت کننده مناسب را به صورت جداگانه در نظر بگیرد. گاهی پیش می‌آید که واژه سنسور به اشتباه به جای ترانسمیتر و ترانسدیوسر نیز به کار برده می‌شود.

ترانسدیوسر فشار

ترانسدیوسرهای فشار مانند سنسورهای فشار، ولتاژ خروجی را تولید می‌کنند که متناسب با تغییر فشار است. ترانسدیوسر در واقع یک المان اندازه‌گیری است که با یک مدار کاندیشنر، برای جبران‌سازی نوسانات دمایی و احتمالا یک تقویت‌ کننده، برای انتقال سیگنال به بیرون از منبع ترکیب می‌شود. توجه کنید که در بسیاری از کاربردها استفاده از یک ترانسدیوسر فشارِ دارای جبران‌ساز دمایی، مزیت‌های بسیاری نسبت به پیاده‌سازی جبران‌ساز دمایی سفارشی بر روی یک المان اندازه‌گیری فشار دارد؛ زیرا ممکن است تست‌های مورد نیاز بسیار پیچیده و دشوار باشند.

ترانسمیتر فشار

ترانسمیتر فشار بسیار شبیه به ترانسدیوسر فشار است، با این تفاوت که به جای سیگنال ولتاژ، سیگنال جریانی از طریق یک بار با امپدانس پایین تولید می‌کند. به طور معمول، اندازه جریان خروجی در محدوده 4 تا 20 میلی آمپر قرار دارد که یک مقدار استاندار صنعتی است. اما توجه کنید که در کاربردهای متحرک، ترانسمیتر می‌تواند منجر به کاهش شارژ باتری شود، خصوصا زمانی‌ که به طور مداوم در انتهای گستره (Range) فشار خود مورد استفاده قرار گیرد.

اختصاص سنسورهای فشار مطلق در موقعیت‌هایی که استفاده از آن‌ها لزومی ندارد، یک مشکل بسیار رایج است؛ زیرا اکثر تجهیزات صنعتی می‌توانند از سنسورهای فشار گیج استفاده کنند. بنابراین بسیار مهم است که قبل از انتخاب نوع سنسور فشار از الزامات تجهیزات به خوبی مطلع باشیم تا یک انتخاب موثر، دقیق و مقرون‌ به صرفه انجام دهیم.

اصول کاری یک سنسور فشار

یک سنسور فشار براساس عکس‌العمل فیزیکی در مقابل فشار اعمالی کار می‌کند. این سنسور تغییرات نسبی حاصل را به صورت الکتریکی اندازه می‌گیرد و برای این هدف از پدیده‌هایی مانند تغییر در ظرفیت خازنی، تغییر در مقاومت اهمی یک استرین‌گیج یا کرنش‌سنج (Strain Gauge) و عنصر پیزوالکتریک استفاده می‌کند. تمام این تغییرات متناسب با دامنه انحراف پس از اعمال فشار هستند. مولفه‌های مهمی مانند گستره اندازه‌گیری، تناسب با محیط، اندازه فیزیکی، توان مورد نیاز و نوع ملزومات اندازه‌گیری فشار می‌توانند راهنمای موثری برای مهندسان طراح باشند.

سنسور فشار خازنی

سنسور فشار خازنی شامل یک خازن است که دارای یک صفحه صلب (Rigid) و یک دیافراگم انعطاف‌ پذیر به عنوان الکترود است. مساحت این الکترودها ثابت بوده، در نتیجه ظرفیت خازنی متناسب با فاصله بین الکترودها تغییر می‌کند. فشاری که باید اندازه‌گیری شود به سمت دیافراگم انعطاف پذیر اعمال می‌شود. در نتیجه انحراف به وجود آمده باعث تغییر در ظرفیت خازنی می‌شود و می‌توان آن را توسط یک مدار الکتریکی اندازه‌گیری کرد. شکل زیر اصول کاری یک فشار‌سنج خازنی را نشان می‌دهد.

سنسورهای فشار استرین‌گیج

در یک سنسور فشارسنج استرین‌گیج، فویل یا استرین‌گیج‌های سیلیکونی به صورت یک پل وتسون (Wheatstone bridge) چیده شده‌اند. پل وتسون در واقع روشی برای تبدیل تغییر مقاومت به تغییر ولتاژ است. استرین‌گیج به نوعی از دیافراگم متصل شده است که هنگام اعمال فشار منحرف می‌شود. این انحراف موجب تغییر در مقاومت استرین‌گیج خواهد شد. سپس سیگنال حاصل توسط مدار پل وتسون اندازه‌گیری، تقویت و پردازش می‌شود. توجه کنید که اهمیت این کار به این دلیل است که در کاربردهای عملی تغییر مقاومت بسیار ناچیز است و نویز و اغتشاش زیادی وجود دارد. حال خروجی مناسب (جریان در ترانسمیتر و ولتاژ در ترانسدیوسر) تولید می‌شود. در شکل زیر، دیاگرام سنسور فشار استرین‌گیج نشان داده شده است.

سنسور‌های فشار پیزورزیستیو

المان اندازه‌گیری پیزورزیستیو (Piezoresistive) نیز می‌تواند در قالب یک پل تعبیه شود. شکل زیر نشان می‌دهد که المان اندازه‌گیری در یک سنسور فشار نوع پل چگونه به یک دیافراگم منعطف متصل شده‌ است تا مقاومت مطابق با دامنه انحراف دیافراگم تغییر کند. خطی بودن سنسور به پایداری دیافراگم در طول بازه اندازه‌گیری و نیز خطی بودن استرین گیج و عناصر پیزورزیستیو بستگی دارد.

سنسورهای ممز (MEMS)

معمولا یک سنسور فشار پیزورزیستیو یا خازنی، مانند اکثر تجهیزات یا ماژول‌های الکترونیکی، به عنوان یک قطعه نسبتاً بزرگ آماده کار تصور می‌شود، اما همیشه این طور نیست. یک مکانیزم اندازه‌گیری فشار خازنی یا پیزو را می‌توان روی سیلیکون نیز پیاده‌سازی کرد که به آن‌ها سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (Micro Electro Mechanical System) یا MEMS می‌گویند. تجهیزات MEMS که نه‌تنها سنسورهای فشار بلکه سنسور حرکت و موقعیت و میکروفون‌های سیلیکونی را شامل می‌شوند، بسیار کوچک، پایدار و مقرون به‌ صرفه هستند و در مواردی کاربرد دارند که فضا و هزینه محدود است؛ مانند موبایل‌ها و تجهیزات اینترنت اشیا (IOT).

منبع : فرادرس