آشنایی با اصل کاری استرین گیج

اصل کاری استرین گیج

سنسورهای استرین گیج یا سنسورهای پیزومقاومتی

پیزومقاومت (Piezoresistive) به معنای “مقاومت حساس به فشار” یا مقاومتی است که با فشار اعمال شده مقدار آن تغییر می کند. استرین گیج (Strain Gauge) یک نمونه کلاسیک از یک عنصر پیزومقاومتی است، یک عنصر استربن گیج معمولی که در اینجا نشان داده شده است:

نمایش استرین گیج

برای کار کردن، یک استرین گیج باید روی نمونه بزرگتری که قادر به مقاومت در برابر نیروی وارده (تنش) باشد، چسبانده شود (پیوند بخورد).

طرح استرین گیج

همانطور که نمونه آزمایشی با اعمال نیرو کشیده یا فشرده می شود، هادی های استرین گیج به طور مشابه تغییر شکل می دهند. مقاومت الکتریکی هر رسانا متناسب با نسبت طول به سطح مقطع (R∝ { l / A }) است، به این معنی که تغییر شکل کششی (کشش) مقاومت الکتریکی را با افزایش همزمان طول و کاهش سطح مقطع افزایش می‌دهد. تغییر شکل فشاری (فشرده شدن) با کاهش همزمان طول و افزایش سطح مقطع، مقاومت الکتریکی را کاهش می دهد.

اتصال یک استرین گیج به دیافراگم منجر به دستگاهی می شود که با فشار اعمال شده مقاومتش تغییر می کند. فشار دیافراگم را مجبور به تغییر شکل می‌کند که به نوبه خود باعث تغییر مقاومت در استرین گیج می‌شود. با اندازه گیری این تغییر مقاومت می توانیم میزان فشار وارد شده به دیافراگم را استنباط کنیم.

 

سیستم استرین گیج کلاسیک ارائه شده در تصویر قبلی از فلز ساخته شده است. در محدوده کشسانی آن، بسیاری از فلزات ویژگی های فنری خوبی از خود نشان می دهند. با این حال، فلزات در چرخه‌های مکرر کرنش (کشش و فشرده‌سازی) در معرض فرسودگی قرار می‌گیرند و اگر فراتر از حد کشسانی خود کشیده شوند، شروع به “جریان (Flow)” می‌کنند. این یک منبع خطای رایج در ابزارهای فشار پیزومقاومتی فلزی است: اگر تحت فشار بیش از حد قرار گیرند، به دلیل آسیب فنر و عناصر استرین گیج، دقت خود را از دست می دهند.

تکنیک های مدرن ساخت، تولید استرین گیج ها  از سیلیکون را به جای فلز امکان پذیر کرده است. سیلیکون ویژگی های بسیار خطی فنری را در دامنه حرکت باریک خود نشان می دهد و مقاومت بالایی در برابر فرسودگی دارد. هنگامی که یک استرین گیج سیلیکونی بیش از حد تحت فشار قرار می گیرد، به جای “جریان” شدن، همانطور که در مورد استرین گیج های فلزی وجود دارد، کاملاً از کار می افتد. این به طور کلی نتیجه بهتری در نظر گرفته می شود، زیرا به وضوح نیاز به جایگزینی سنسور را نشان می دهد (در حالی که یک حسگر کرنش فلزی ممکن است تصور نادرستی از ادامه عملکرد پس از یک رویداد استرس بیش از حد ایجاد کند).

دیافراگم و استرین گیج

همانطور که دیافراگم با فشار سیال اعمال شده به سمت بیرون خم می شود، استرین گیج به طول بیشتری کشیده می شود و باعث افزایش مقاومت آن می شود. این تغییر مقاومت، مدار پل را نامتعادل می کند و باعث ایجاد ولتاژ (Vout) متناسب با مقدار فشار اعمال شده می شود. بنابراین، استرین گیج برای تبدیل فشار اعمال شده به یک سیگنال ولتاژ قابل اندازه گیری کار می کند که ممکن است تقویت شود و به سیگنال جریانی حلقه 4-20 میلی آمپر (یا به سیگنال فیلدباس دیجیتال) تبدیل شود.

در برخی از طرح ها، یک ویفر سیلیکونی منفرد به عنوان دیافراگم و استرین گیج عمل می کند تا به طور کامل از خواص مکانیکی عالی سیلیکون (خطی بودن بالا و فرسودگی کم) استفاده کند. با این حال، سیلیکون از نظر شیمیایی با بسیاری از سیالات فرآیند سازگار نیست، و بنابراین فشار باید از طریق یک مایع پر کننده غیر واکنشی (معمولاً مایع مبتنی بر سیلیکون یا فلوئوروکربن) به دیافراگم/حسگر سیلیکونی منتقل شود. یک دیافراگم جداکننده فلزی، فشار سیال فرآیند را به سیال پرکننده منتقل می‌کند، که به نوبه خود فشار را به ویفر سیلیکونی منتقل می‌کند. یک تصویر ساده دیگر نشان می دهد که چگونه این کار می کند:

دیافراگم فلزی و سیسکونی در استرین گیج

دیافراگم ایزوله به گونه ای طراحی شده است که نسبت به دیافراگم سیلیکونی انعطاف پذیرتر (کمتر سخت) باشد، زیرا هدف آن انتقال یکپارچه فشار سیال از سیال فرآیند به سیال پرکننده است نه اینکه به عنوان عنصر فنری عمل کند.

به این ترتیب، حسگر سیلیکونی همان فشاری را تجربه می‌کند که اگر مستقیماً در معرض سیال فرآیند قرار می‌گرفت، بدون نیاز به تماس با سیال فرآیند.

انعطاف پذیری دیافراگم جداکننده فلز همچنین به این معنی است که تنش بسیار کمتری را نسبت به دیافراگم حسگر سیلیکونی تجربه می کند، که از مشکلات خستگی فلزی که توسط مدل های ترانسمیتر فشار با استفاده از فلز به عنوان عنصر حسگر (فنر) استفاده می شود، جلوگیری می کند.

این استفاده از سیال پرکننده برای انتقال فشار از دیافراگم ایزوله به دیافراگم حسگر درون فرستنده، در اکثر طراحی‌های ترانسمیتر فشار مدرن، حتی آنهایی که پیزومقاومت نیستند، استفاده می‌شود.

مشکلات خود را در زمینه ابزارآلات اندازه گیری به ما بسپارید و به خلق و نوآوری در رشته خود بپردازید. فقط با یک تماس با همکاران ما خواهید دید چالش ها به آسانی حل می شوند.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

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

اسکرول به بالا