آشنایی با 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:

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

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.

 

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).

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 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.

انواع استرین گیج

 

استرین گیج فویل فلزی

 

نحوه ساخت

فویل فلزی به ضخامت 0.02 میلی متر با استفاده از تکنیک چاپ مدار تولید می شود. این فویل فلزی در یک طرف یک پوشش پلاستیکی ساخته می شود. سرب بر روی فویل فلزی لحیم می شود تا بتواند به صورت الکتریکی به پل ویت استون متصل شود تا اندازه گیری فشار صورت گیرد.

نحوه عملکرد استرین گیج فویل فلزی

با کمک یک ماده چسبنده، استرین گیج بر روی ساختار چسبانده می شود. اکنون سازه تحت یک نیروی (کششی یا فشاری) قرار می گیرد. با توجه به نیرو، سازه تغییر ابعاد می دهد. همانطور که استرین گیج به سازه چسبیده است، هم از طول و هم از مقطع (یعنی کشیده) دچار تغییر می شود.

این کشش (تغییر ابعاد) مقاومت استرین گیج را تغییر می دهد که با استفاده از پل ویت استون قابل اندازه گیری است. این تغییر در مقاومت استرین گیج، معیاری برای میزان کشش سازه و معیاری از نیروی اعمالی هنگام کالیبره شدن است. همانند عملکرد استرین گیج سیم نازک.

مزایای استرین گیج فویل فلزی

• این استرین گیج ها را می توان در هر شکلی تولید کرد.
• اتصال کامل استرین گیج با ساختار امکان پذیر است.
• می توان لایه پلاستیکی را جدا کرد و فویل فلزی با سرب را می توان مستقیماً روی ساختار نصب کرد. در چنین مواردی باید از چسب سرامیکی استفاده شود.
• این استرین گیج ها قابلیت استفاده بسیار زیادی دارند.
• حساسیت خوبی دارد و حتی در دماهای بالا نیز پایداری دارد.

استرین گیج سیم نازک

نحوه ساخت

یک سیم مقاومتی نازک به قطر 0.025 میلی متر چند مرتبه خم می شود. این کار برای افزایش سطح پوشش دهنده سیم انجام می شود تا توزیع یکنواخت تنش را امکان پذیر کند. این سیم مقاومتی بین دو پایه حامل (کاغذ، باکالیت یا تفلون) که به یکدیگر سیمان شده اند قرار می گیرد. پایه حامل از گیج در برابر آسیب محافظت می کند. از سرب برای اتصال الکتریکی استرین گیج به یک ابزار اندازه گیری (پل وتستون) استفاده می شود.

نحوه عملکرد

با کمک یک ماده چسبنده، استرین گیج بر روی ساختار چسبانده می شود. اکنون سازه تحت یک نیروی (کششی یا فشاری) قرار می گیرد. با توجه به نیرو، سازه تغییر ابعاد می دهد. همانطور که استرین گیج به سازه چسبیده است هم از نظر طول و هم از نظر مقطع دچار تغییر می شود (کشیده می شود).

این کشش (تغییر ابعاد) مقاومت استرین گیج را تغییر می دهد که با استفاده از پل ویت استون قابل اندازه گیری است. این تغییر در مقاومت استرین گیج، معیاری برای میزان کشش سازه و معیاری از نیروی اعمال شده هنگام کالیبره شدن است.

مواد سازنده استرین گیج سیم نازک

ترکیب مواد عبارتند از:

• نیکروم نیکل – 80٪؛ Cr – 20٪
• کنستانتان نیکل – 45٪; مس – 55٪
• نیکل
• پلاتین
• نیکل ایزوالاستیک – 36%؛ Cr – 8٪؛ ماه – 0.5٪

مزایای استرین گیج سیم نازک

• محدوده این گیج +/- 0.3% کشش است.
• این گیج از دقت بالایی برخوردار است.
• دارای خطی بودن +/- 1٪.

محدودیت های استرین گیج سیم نازک

• این گیج ها را نمی توان جدا کرد و دوباره استفاده کرد (زیرا استرین ها به سازه چسبانده شده اند).
• قیمت بالا

استرین گیج بدون چسبندگی

این استرین گیج ها مستقیماً به سطح ساختار نمی چسبند. از این رو آنها را به عنوان استرین گیج بدون چسبندگی می شناسند.

نحوه ساخت استرین گیج های بدون چسبندگی

ترتیب یک استرین گیج بدون چسبندگی شامل موارد زیر است. دو قاب P و Q که پین‌های عایق ثابتی را حمل می‌کنند. این دو قاب می توانند نسبت به یکدیگر حرکت کنند و توسط مکانیزم فنری در کنار هم نگه داشته می شوند. یک استرین گیج مقاومت سیم نازک در اطراف پین های عایق کشیده شده است. استرین گیج به یک پل ویت استون متصل است.

عملکرد استرین گیج های بدون چسبندگی

هنگامی که نیرویی بر سازه (قاب های P & Q) وارد می شود، قاب های P نسبت به قاب Q حرکت می کند و به این دلیل استرین گیج از نظر طول و مقطع تغییر شکل می دهد. یعنی استرین گیج کشیده می شود.

این کشش مقاومت استرین گیج را تغییر می دهد و این تغییر مقاومت استرین گیج با استفاده از پل ویت استون اندازه گیری می شود. این تغییر در مقاومت هنگام کالیبره شدن به معیاری برای اندازه گیری نیروی اعمالی و تغییر در ابعاد سازه تبدیل می شود.

کاربرد استرین گیج بدون چسبندگی

• استرین گیج بدون چسبندگی در مکان هایی که لازم است گیج جدا می شود و بارها و بارها می تواند استفاده شود.
  استرین گیج های بدون چسبندگی در اندازه گیری نیرو، فشار و شتاب استفاده می شود.
• مزایای استرین گیج بدون چسبندگی:
  محدوده این سنج +/- 0.15% کشش است.
  این گیج از دقت بسیار بالایی برخوردار است.
• محدودیت استرین گیج های بدون چسبندگی
  فضای زیادی اشغال می کند.