دانلود مقاله بررسی سنسورها و ترانسدیوسرهاو کنترل صنعتی

بخشی از مقاله

1-1 كرنش مكانيكي
عبارتهاي تنش و كرنش غالباً در موقع استفاده با يكديگر اشتباه مي شوند و بنابراين لازم است در اينجا تعريف روشني از اين در كلمه بيان شود.

كرنش نتيجه تنش است و به صورت تغيير نسبي ابعاد يك شي بيان مي شود، بدين معني كه تغير بعد تقسيم بر بعد اصلي مي شود، به گونه اي كه به عنوان مثال، از نظر طولي كرنش تغييرات طول تقسيم بر طول اصلي است. اين كميتي است كه يك عدد خالص بوده و حاصل تقسيم يك طول بر طول ديگر است و بنابراين ديمانسيون فيزيكي ندارد.

كرنش به روشي مشابه تغيير كميت تقسيم بر كميت اصلي را مي توان براي اندازه گيري هاي سطح و يا حجم تعريف كرد به عنوان مثال، كرنش سطح، عبارتست از تغيير سطح تقسيم بر سطح اصلي و كرنش حجم، تغييرات حجم تقسيم بر حجم اصلي است.

در مقابل، تنش، عبارتست از تقسيم مقدار نيرو بر مقدار سطح. همانگونه كه درمورد يك سيم و يك ميله در تنش كششس و يا فشاي ، بهعنوان مثال، تنش كششي عبارت از نيروي وارده تقسيم بر سطحي كه نيرو به آن وارد مي شود كه آن سطح،سطح مقطع سيم و يا ميله است. درمورد موادي مانند مايعات و يا گازها، كه مي توانند در تمام جهات به طور يكنواخت فشرده شوند، تنش كلي نيرو بر واحد سطح است كه همان فشار وارده است و كرنش تغيير حجم تقسيم بر حجم اصلي است.

عمومي ترين ترانسديوسرهاي كرنش از نوع تنش مكانيكي كششي (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گيري كرنش، اجازه مي دهد كه مقدار تنش با دانستن مدول الاستيك (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعريف هر نوع از ضريب كشساني كرنش/ تنش است (كه داراي واحد تنش است،چون كرنش واحد فيزيكي ندارد) و كاربردي ترين مدول الاستيك ، مدول خطي يانگ ، مدول برشي (پيچش)و مدول بولك (فشار) است.
براي مقادير كوچك كرنش مقدار كرنش متناسب با تنش است و مدول الاستيك كميتي است كه نسبت كرنش/ تنش را در ناحيه الاستيك، بيان مي كند، (قسمتي از نمودار كرنش- تنش كه خطي است) به عنوان مثال مدول يانگ نسبت كرنش كششي/ تنش كششي، به طور نمونه براي هر ماده به شكل سيم اندازه گيري مي شود (شكل 1-1) روش اندازه گيري كلاسيك، هنوز هم در آزمايشگاه مدارس مورد استفاده قرار مي گيرد و درآن از يك زوج سيم بلند استفاده مي شود، كه يكي از آنها به بار وصل شده و به سيم ديگر يك ورنيه مدرج نصب مي شود.
آشكارسازي و تبديل تنش كششي در برگيرنده اندازه گيري تغييرات خصي كوچك طول يك نمونه است. اين به وسيله اثر تغييرات دما، كه ايجاد انبساط و يا انقباض مي‌كند كامل مي شود. براي تغييرات حدود صفر تا 90 درجه سانتيگراد كه دماي محيط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغييراتي كه توسط مقادير زيادي فشار ايجاد مي شود خواهد بود. بنابراين هر سيستمي براي آشكار سازي و اندازه گيري كرنش بايستي به نحوي طراحي شود كه اثرات دما بتواند جبران سازي شود.
قوانيني كه براي آشكار سازي كرنش خطي و يا سطحي استفاده مي شود پيزورزيستيو و پيزو الكتريك ناميده مي شوند.
معمول ترين روش اندازه گيري كرنش با استفاده از استرين گيجهاي مقاومتي محقق مي شود. يكاستريم گيج مقاومتي شامل يك ماده هادي به شكل يك سيم و يا نوار نازك است كه به صورتي محكم به مادهاي كه كرنش آن بايستي آشكار شود متصل شده است. اين ماده ممكن است ديوار يك ساختمان، تيغه يك توربين، قسمتي از يك پل، هر چيزي باشد كه درآن تنش اضافي بتواند اغتشاش تهديد كننده اي آشكار كند. محكم كردن ماده مقاومتي معمولاً توسط رزينهاي اپوكسي (مانند آرالديت) انجام ميگيرد، چون اين مواد بسيار محكم هستند و عايقهاي الكتريكي نيز به شمار مي روند. سپس نوار استرين گيج به عنوان ييك از بازوهاي مدار پلي مقاومتي به مدار وصل مي شود (شكل 1-2) اين يك مثال در مورد قانون پيزورزيستيو است، چون براي آشكار سازي از تغيير مقاومتي كه به دليل تغيير شكل ساختمان كريستالي ماده حاصل شده است استفاده مي شود.
مي توان با استفاده از يك استرين گيچ در ثل مقاومتي به طوري كه تحت كرنش قرار نگرفته باشد به گونه اي مقايسه اي اثر تغييرات دما را به حداقل رسانيد. اين اقدام نه تنها به خاطر اينكه ابعاد ماده مورد بررسي در نتيجه تغييرات دما تغير خواهد كرد بلكه به اين دليل است كه خود مقاومت عنصر استرين گيچ نيز تغيير خواهد كرد. با استفاده از دو استرين گيچ يكسان، كه يكي از آنها تحت كرنش نباشد، در مدارپل، اين تغييرات در مقابل يكديگر مي توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغييرات مربوط به كرنش آشكار شوند. حساسيت اين نوع سنجه، كه غالباً سنجه پيزورزيستيو ناميده شده، تحت عنوان فاكتور گيج اندازه گيري مي شود. اين مفهوم به عنوان نسبت تغييرات مقاومت به تغييرات كرنش معرفي مي شود و به طور معمول براي سنجه از نوع سيم فلزي در حدود 2 و براي نوع نيمه هادي آن حدود 100 است.

شكل 1-2 استفاده از استرين گيج- (a) شكل فيزيكي يك استرين گيج (b) يك مدار پل اندازه گيري براي استفاده استرين گيج. با استفاده از يك سنجه فعال (تحت كرنش) و يك سنجه غير فعال (بدون قرار گرفتن تحت كرنش) در يك بازوي پل، چنانچه هر دو گيج به طور يكسان تحت تاثير دما قرار گيرند، اثرات دما جبران سازي مي شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار مي گيرند اما تنها يك سنجه به طور محكم به سطح تحت كرنش وصل مي شود.

همان گونه كه اعداد فاكتور در بالا نشان مي دهند تغيير مقاومت يك گيج كه با استفاده از المنتهاي سيم مرسوم ساخته مي شوند (كه عمدتاً از جنس سين نيكرن نازك هستند) خيلي كوچك است.
به دليل اينكه مقاومت يك سيم متناسب به طول آن است، تغييرات نسبي مقاومت با تغييرات نسبي طول خواهد بود، بهطوري كه تغييرات كمتر از 1/0% قابل آشكارسازي است. چون مقاومت در مقايسه با مقاومت اتصالات در مدار خيلي كوچك باشد و اين امر در موقع اندازه گرفتن مقدار كرنشهاي كوچك، اندازه گيري را غير مطمئن سازد. استفاده از نوار نيمه هادي به جاي سيم فلزي اندازه گيري را بسيار آسانتر مي كند، چون مقاومت چنين نواري به مقدار قابل توجهي بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن، تغييرات مقاومت نيز به ميزان قابل توجهي مي تواند بزرگتر باشد و باستثناي كاربردهايي كه درآنها دماي المنت بالا است (به عنوان مثال، تيغه هاي توربين گازي)، استرين گيج از نوع نيمه هادي ترجيح داده مي شود.بستن و ثابت كردن آن همانند نوع فلزي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي سطح محافظت مي شود اين نكته بسيا ربا اهميت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گيج، لايه اكسيد را از بين ببرد. آنگاه قرائتهاي گيج تحت تاثير عوامل شيميايي قرار خواهند گرفت، درست همانگونه كه تحت تاثير كرنش قرار مي گيرند و در نتيجه اندازه گيريها قابل اعتماد نخواهند بود.
استرين گيجهاي پيزوالكتريك در مواردي كه اندازه گيري در مدت زمان كوتاه انجام مي شود و يا اينكه مقادير آنها سريعاً تغيير مي كنند مفيد هستند. يك ماده پيزوالكتريك، ماده اي است كه وقتي كريستال آن تحت كرنش قرار مي گيرد، يونهاي آن به صورت غير متقارن حركت مي كنند، به گونه اي كه بين دو صفحه كريستال EMF توليد مي شود (شكل 1-3) اگر كريستال به مقدار خيلي زياد تحت كرنش قرار گيرد، مي تواند EMF بسيار زيادي، حتي در حدود چند kV ايجاد كند.

شكل 1-3 قوانين كريستال پيزوالكتريك . شكل كريستال مكعبي نيست، ولي براي ساده تر كردن مفهوم، جهت اثرات روي يك مكعب نشان داده شده اند. بيشترين اثر الكتريكي روي وجوهي از مكعب به دست مي آيند كه جهت آنها عمود بر وجوهي است كه نيرو اعمال مي شود. محور رسوم محور نوري ناميده مي شود به دليل اينكه نوري كه در اين جهت به كريستال تابانيده مي شود بيشتر از جهات ديگر تحت تاثير پلاريزاسيون قرار مي گيرد.

به طوريكه گيج بتواند حس كند، اماآمپدانس خروجي خيلي زياد و معمولآً خازني اصست. شكل 1-4 مدار معادل الكرتيكي و شكل 1-5 پاسخ فركانسي يك كريستال كوارتز اطارف فركانسهاي رزونانس اصلي را نشان مي دهد. خروجي يك استريم گيج پيزوالكتريك DC نيست، لذا اين نوع گيچ براي آشكار سازي تغييرات آهسته مفيد استفاده نمي باشد و كاربرد اصلي آن براي آشكار سازي شتاب است.
دو شكل عمده انواع عناصر استرين گيج، عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روي نمودار بدين صورت بيان مي شود كه نمودار تعيير مقاومت نسبت به تغييرات طول در مسير كاهش تنش دقيقاً همنان مسير مربوط به افزايش تنش را طي نمي كند. (شكب 1-6) اين اثر بايستي كوچ و از مرتبه 025/0 قرائت ماكزيمم باشد.

شكل 1-4 مدار معادل يك كريستال كه شامل يك مدار رزونانس با اندوكتانس خيلي بالا، ظرفيت خازني پايين و مقاومت تقريبآً صرفنظر كردمي است.

شكل 1-5 مشخصه الكتريكي كريستال كوارتز

شكل 1-6 اثر پس ماند روي يك استرن گيج كه مقدار زيادي در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزايش كرنش خطي است، اما زماني كه كرنش كاهش مي يابد همان مسير را نمي‌پيمايد. نتيجه فوق در گيج داراي مقاومت دائماً متغير زماني كه كرنش حدي مي شود اتفاق مي افتد.

كشش بيش از حد يك استرين گيج باعث افزايش زياد در پس ماند مي شود واگر خيلي زياد باشد، باعث مي شود كه گيج يك تغيير دائمي طول را نشان دهد وفير قابل استفاده شود مگر اينكه مجدداً كاليبره شود. مسئله ديگر، لغزش استرين گيج است، مه در نتيجه تغيير تدريجي طول المنت گيج اتفاق مي افتد كه ارتباطي با كرنش ماده اي كه مورد اندازه گيري است ندارد. لغزش نيز بايستي خيلي كوچك و از مرتبه 025/0% قرائت معمولي باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غيرخطي هستند كه به هيچ وجه حذف شدني نيستند اما با انتخاب دقيق ماده مناسب استرين گيج مي توان مقادير آنها را كاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزايش دماي كار گيج افزايش مي يابند.

لودسلها
لودسلها در سيستمهاي توزين الكترونيكي مورد استفاده قرار مي گيرند. يك لودسل عبارت است از يك ترانسديوسر نيرو كه نيرو يا وزن را به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند. اساساً، لودسل از يك مجموعه استرين گيج تشكيل شده است، كه معمولآً چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجي مدار پل ولتاژي است كه مقدار آن متناسب با نيروي وارده به لودسل است. خروجي ولتاژ مورد نظر يا به طور مستقيم پردازش مي شود و يا اينكه ابتدا ديجيتايز شده سپس آماده پردازش مي شود.

1-2- تداخل سنجي
روش ديگري براي اندازه گيري كرنش كه داراي امتيازات قابل توجهي نيز هست و حساسيت مناسبي هم دارد روش تداخل سنجي است. اگرچه وصول اين روش كاملاً قديمي است، اما استفاده علمي از آن تا زماني كه ليزرهاي مناسب و تجهيزات وابسته به آن، به همراه شيوه هاي الكترونيك كاربردي قرائت اندازه گيري رايج نشده بود به عهده تعويق افتاد.
قبل از آنكه بخواهيم استرين گيج از نوع تداخل سنج ليزري را تشريح كنيم، لازم است اصول تداخل موج و مشكلات آن وقتي موجهاي تداخلي از نوع نور هستند را بدانيم.
پديده تداخل در همه انواع امواج روي مي دهد (شكل 1-7) وقتي دو بار با يكديگر تلاقي مي گنند و با يكديگر همفاز هستند (پيكهاي هم علامت يكديگر را تقويت مي كنندن)، نتيجه اين تداخل، موجي با دامنه بزرگتر است كه يك موجب تقويت شده است. اين نوع تداخل، تداخل فزاينده دامنه ناميده مي شود. اگر چنانچه دو موجب با فازهاي مخالف هم با يكديگر تداخل كنند، مجموع دو موج يا داراي دامنه صفر خواهد بود يا اينكه دامنه آن كوچه خواهد بود و تداخل آن كاهنده دامنه ناميده مي شود. تغيير تداخل فزاينده دامنه به كاهنده دامنه زماني اتفاق مي افتد كه تعيير فاز يكي از دو موج نسبت به موج ديگر در مدت نيم سيكل صورت پذيرد. اگر امواج از دو منبع منشتر شوند، آنگاه حركت يك منبع با فاصله اي باندازه نصف طول موج براي تغييرنوع تداخل از نوع فزاينده دامنه به نوه كاهنده دامنه و بالعكس كافي خواهد بود. اگر امواجي كه استفاده مي شوند داراي طول موج كوتاه باشند آنگاه فاصله نصف طول موج خيلي كوتاه خواهد بود واين روش اندازه گيري خيلي حساس و دقيقي براي اندازه گيري فاصله خواهد بود.
طول موج نور قرمز حدود nm 700 يا m 7-10 و يا mm 4-10 خواهد بود. به طوري كه با شيفت دادن موج به اندازه نيمي از اين فاصله بين دو منبع نور قرمز مي توان انتظار داشت كه تداخل از حالت كاملاً فزاينده دامنه به حالت كاملاً كاهنده دامنه تبديل شود، در عمل مي توان تغييرات خيلي كوچكتر از اين مقدار را نيز آشكار كرد. اگر مشكل همدوس بودن امواج نوري وجود نمي داشت اين روش بايستي خيلي زودتر از آنچه بايد مورد استفاده قرار گرفت. تداخل تنها وقتي ممكن است كه امواجي كه با يكديگر تداخل مي كنند در دوره زماني نسبتاً زيادي پيوسته باشند.
هرچند مولدهاي نور معمولي امواج را به صورت پيوسته منتشر نمي كنند. در منبع نوري مانند يك لامپ رشته اي و يا لامپ فلورسنت، هر اتمي كه يك پالس تشعشع نوري را منتشر مي كند، طي مرحله فوق انرژي از دست مي دهد و سپس انتشار نوري را منتشر مي كند، طي مرحله فوق انرژي از دست مي دهد و سپس انتشار انرژي تازماني كه مجدداً به تك تك اتمها است و به صورت يك كميت موج پيوسته نيست اين موضوع باعث مي شود به دست آوردن هر اثر تداخلي بين دو منبع نور معمولي جداگانه غير ممكن باشد و تنها راهي كه تداخل نوري با استفاده از چنين منابع نوري به طور معمولي قابل نمايش است اين است كه نوري كه از روزنه عبور داده شده با يك اختلاف مسير خيلي كوچك، با انعكاس يافته خودش تداخل يابد.
با وجود نور ليزر همه مشكلات فوق رفع مي شود. ليزر شعاعي از نور عرضه مي كند كه درآن همه اتمهاي تشكيل دهنده نور به طور همزمان در حال نوسان هستند. اين نوع شعاع نوري همدوس ناميده مي شود. توسط شعاع نور همدوس مي توان بآساني اثرات تداخلي را نشان داد و امتياز ديگر اين است كه از يك ليزر بآساني مي توان شعاعهاي موازي دقيق را به دست آورد. توسط تداخل سنج همانگونه كه در شكل 1-8 نشان داده شده مي توان اين دو خصوصيت را نشان داد.
نور حاصل از يك ليزر كوچك به يك مجموعه صفحات شيشه اي نيمه منعكس كننده تابانده مي شود و مقداري از اين نور به پرده منعكس مي شود. بقيه نور به منعكس كننده برخورد مي كند، به طوري كه شعاع منعكس شده به صفحات شيشه اي بر مي گردد و ضمناً روي پرده منعكس مي شود. كنون تداخل پترني بين نوري كه از شعاع نوري خارجي شونده منعكس شده ونوري كه از شعاع نوري بازگشتي ايجاد شده شكل مي گيرد . اگر منعكس كننده دور بهاندازه يك چهارم طول موج نور حركت كند، مسير شعاع نور رفت و برگشت از منعكس كننده به اندازه نصف طول موج تغيير خواهد كرد وتداخل بين دو نوع فزاينده دامنه و كاهنده دامنه تغيير خواهد كرد. به دليل اينكه اين يك شعاع نوري است كه باعث مي شود روشنايي روي پرده بين حالت روشن و تاريك تغيير كند توسط يك فتوسل مي تواند اين تغيير را اندازه گيري كرد و با اتصال فتوسل به يك شمارنده ديجيتال از طريق يك تقويت كننده ، تعداد ربع طول موجهاي حركت منعكس كننده دور را مي توان به صورت الكترونيكي اندازه گيري كرد.

شكل 1-8 قوانين تداخل سنجي موج. در قسمت (a) تنظيم ليزر و صفحات شيشه اي نشان داده شده است . صفحات شيشه اي مقداري زا نور را از خود عبور مي دهند ومقداري از آن را منعكس مي كنند. به گونه اي كه هم كنعكس كننده وهم پرده مقداري نور از شعاع ليزر را دريافت مي نمايند. علاوه بر آن، نور برگشتيي از منعكس كننده هم به پرده برخورد مي كند و باعث ايجاد شكل تداخلي مي شود همانگونه كه در قسمت (b) نمايش داده شده است. با حركت دادن منعكس كننده به اندازه نصف طول موج، شكل به اندازه فاصله بين باندها روي پرده حركت خواهد كرد.

تداخل سنج اغلب براي بسياري از اهداف به اندازه گافي حساس است. به عنوان مثال، اثر تعييرات دماها بآساني جبران سازي نمي‌شود. اگر چه مي‌تواند با استفاده از مسيرهاي نوري كه دو شعاع تداخل كننده مسيرهاي مساوي طي كرده اند، يكي هم خط با تنش و ديگري در مسير قائم انجام شود. يك امتياز اين روش اين است كه هيچ اتصال فيزييكي بين نقاطي كه فاصله آن اندازه گيري شده اند؛ يعني هيچ سيم و يا نوار نيمه هادي براي اتصال نقاط وجود ندارد؛ بدنه اصلي تداخل سنج در يك مكان است و منعكس كننده در جاي ديگر قرار دارد. فاصله بين قسمت اصلي وسيله و منعكس كننده ثابت نيست، تنها محدوديت اين است كه فاصله نبايستي از فاصله همدوسي ليزر تجاوز كند. اين فاصله متوسطي است كه طي آن فاصله، نور همدوس باقي مي ماند و معمولآً براي يك منبع ليزري لااقل چند متر است.

1-3روشهاي فيبر نوري
پيشرفتهاي تكنيكي در رابطه با توليد و استفاده فيبرهاي نوري، باعث شده است كه از اين وسايل بريا اندازه گيري تغييرات فاصله استفاده شود. فيبر نوري (شكا 1-9) از لايه هاي شيشه اي تشكيل شده است به طوري كه لايه هاي بيروني داراي ضريب شكست بيشتري نسبت به لايه هاي داخلي است به دليل اثر انعكاسي كلي داخلي، ساختار فوق باعث باعث مي شود كه شعاع نوري، داخل فيبر به دام بيفتد (شكل 1-10). زماني كه يك شعاع نوري يك مسير مستقيم را داخل فيبر طي مي كند، تعداد انعكاسات داخلي كوچك خواهد بود، اما اگرفيبر خميده شود، آنگاه تعداد انعكاسها به طور قابل توجهي افزايش مي يابد و اين امر باعث مي شود مسير پيموده شده توسط نور افزايش يابد. بنابراين زمان مورد نياز براي عبور مسير پيموده شده تغير يافته و به دنبال آن فاز تغيير مي كند اين تغيير فاز را مي توان با نوع چيدمان همانند شكل 1-11 براي آشكارسازي تغييرات كوچك مورد استفاده قرار داد. دو عدد آرواره ، همانطوري كه با هم حركت مي كنند، باعث مي شوند فيبر نوري به شكل زيگزاگ مانند درآيد كه درآن شعاع نوري در فيبر چندين بار منعكس خواهد شد.
فاصله اضافي پيموده شده توسط شعاع نوري باعث ايجاد تاخيري مي شود كه با تداخل سنجي، با استفاده از يك شعاع نوري ديگر از يك فيبر بات همان مشخصات ضريب شكست قابل آشكار سازي است. به دليل اينكه ارتباط ساده اي بين مقدار حركت و مقدار تاخير حركت نور وجود ندارد، سنسور را بايستي در كل محدوده كاري مربوط به آن كاليبره و تنظيم كرد.