مجسات الضغط الكهربائية

اليوم ، من أجل قياس الضغط في مختلف مجالات الصناعة ، لا يتم استخدام مقاييس الزئبق والمواد اللاستيرويدية فحسب ، بل يتم أيضًا استخدام أجهزة استشعار مختلفة تختلف في مبدأ التشغيل وفي المزايا والعيوب الملازمة لكل نوع من أجهزة الاستشعار. تسمح الإلكترونيات الحديثة بتنفيذ مجسات الضغط مباشرة على أساس كهربائي وإلكتروني.

فماذا نعني بمصطلح "حساس الضغط الكهربائي"؟ ما هي حساسات الضغط الكهربائية؟ كيف يتم ترتيبهم وما هي الوظائف التي لديهم؟ أخيرًا ، ما هو مستشعر الضغط الذي يجب أن تختاره بحيث يكون أكثر ملاءمة لغرض معين؟ سنكتشف في سياق هذه المقالة.

أولاً ، دعنا نحدد المصطلح نفسه. مستشعر الضغط هو جهاز تعتمد معلمات خرجه على الضغط المقاس. يمكن أن يكون وسط الاختبار بخارًا أو سائلًا أو بعض الغازات ، اعتمادًا على استخدام مستشعر معين.

تتطلب الأنظمة الحديثة أدوات دقيقة من هذا النوع كمكونات مهمة لأنظمة التشغيل الآلي للطاقة والنفط والغاز والأغذية والعديد من الصناعات الأخرى.محولات الضغط المصغرة ضرورية في الطب.

يشتمل كل مستشعر ضغط كهربائي على: عنصر حساس يعمل على نقل الصدمة إلى محول الطاقة الأساسي ودائرة معالجة الإشارة ومبيت. تنقسم مستشعرات الضغط الكهربائية بشكل أساسي إلى:

• مقاوم (مقاوم للشد) ؛

• كهرضغطية.

• صدى بيزو

• بالسعة.

• حثي (مغناطيسي) ؛

• الكتروضوئي.

مستشعر ضغط مقياس المقاومة أو الضغط هذا جهاز يغير عنصره الحساس مقاومته الكهربائية تحت تأثير الحمل المشوه. يتم تثبيت مقاييس الإجهاد على غشاء حساس ينحني تحت الضغط ويثني مقاييس الإجهاد المتصلة به. تتغير مقاومة مقاييس الإجهاد ويتغير حجم التيار في الدائرة الأولية للمحول وفقًا لذلك.

يؤدي تمديد العناصر الموصلة لكل مقياس ضغط إلى زيادة الطول وانخفاض المقطع العرضي ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة. في حالة الانضغاط يكون العكس هو الصحيح. يتم قياس التغيرات النسبية في المقاومة بالألف ، لذلك يتم استخدام مضخمات الدقة مع ADCs في دوائر معالجة الإشارات. وبالتالي ، يتم تحويل السلالة إلى تغيير في المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات أو الموصل ثم إلى إشارة جهد.

عادة ما تكون مقاييس الإجهاد عبارة عن عنصر موصل متعرج أو عنصر شبه موصل يتم تطبيقه على قاعدة مرنة تلتصق بالغشاء. عادة ما تكون الركيزة مصنوعة من الميكا أو الورق أو غشاء بوليمر ، والعنصر الموصل عبارة عن رقائق أو سلك رفيع أو شبه موصل يتم رشه بالتفريغ على المعدن.يتم توصيل العنصر الحساس لمقياس الضغط بدائرة القياس باستخدام وسادات أو أسلاك ملامسة. عادة ما تتراوح مساحة أجهزة قياس الضغط نفسها من 2 إلى 10 ملم مربع.

مجسات خلية الحمل عظيم لتقدير مستويات الضغط وقوة الضغط وقياس الوزن.

النوع التالي من مستشعرات الضغط الكهربائي هو كهرضغطية… هنا ، يعمل العنصر الكهروإجهادي كعنصر حساس ، حيث يقوم عنصر كهرضغطية يعتمد على كهرضغطية بتوليد إشارة كهربائية عند تشوهه ، وهذا ما يسمى بالتأثير الكهروإجهادي المباشر. يتم وضع العنصر الكهروإجهادي في الوسط المُقاس ، ثم يتناسب التيار في دائرة المحول من حيث الحجم مع تغير الضغط في هذا الوسط.

نظرًا لأن ظهور التأثير الكهرضغطية يتطلب تغييرًا دقيقًا في الضغط بدلاً من ضغط ثابت ، فإن هذا النوع من محولات الضغط مناسبة فقط لقياس الضغط الديناميكي. إذا كان الضغط ثابتًا ، فلن تحدث عملية تشوه العنصر الكهرضغطية ولن يتم توليد التيار بواسطة الكهرضغطية.

تستخدم مستشعرات الضغط الكهرضغطية ، على سبيل المثال ، في محولات التدفق الأولية لمقاييس الدوامة للمياه والبخار والغاز والوسائط المتجانسة الأخرى. يتم تثبيت هذه المستشعرات في أزواج في خط أنابيب مع فتحة اسمية من عشرات إلى مئات المليمترات خلف جسم التدفق ، وبالتالي تسجل الدوامات التي يتناسب ترددها وعددها مع معدل التدفق الحجمي ومعدل التدفق.

ضع في اعتبارك المزيد من مستشعرات الضغط بالرنين البيزو ... في مستشعرات الضغط بالرنين الانضغاطي ، يعمل التأثير الكهروإجهادي العكسي ، حيث يتشوه الكهروإجهادي تحت تأثير الجهد المطبق ، وكلما ارتفع الجهد ، كان التشوه أقوى. يعتمد المستشعر على مرنان على شكل لوحة كهرضغطية ، يتم توصيل الأقطاب الكهربائية على جانبيها.

عندما يتم تطبيق جهد متناوب على الأقطاب الكهربائية ، تهتز مادة اللوحة ، وتنحني في اتجاه أو آخر ، ويكون تردد الاهتزازات مساويًا لتردد الجهد المطبق. ومع ذلك ، إذا تم تشويه اللوحة الآن عن طريق تطبيق قوة خارجية عليها ، على سبيل المثال من خلال غشاء حساس للضغط ، فإن تواتر التذبذبات الحرة للرنان سيتغير.

لذا ، فإن التردد الطبيعي للرنان سوف يعكس مقدار الضغط على الغشاء الذي يضغط على الرنان ، مما يؤدي إلى تغيير في التردد. كمثال ، ضع في اعتبارك مستشعر الضغط المطلق المستند إلى الرنين الانضغاطي.

ينتقل الضغط المُقاس إلى الغرفة 1 من خلال التوصيل 12. يتم فصل الحجرة 1 بغشاء عن جزء القياس الحساس بالجهاز. يتم إحكام إغلاق الجسم 2 والقاعدة 6 والغشاء 10 معًا لتشكيل غرفة ثانية محكمة الغلق. في الغرفة الثانية محكمة الغلق للقاعدة 6 ، تم تثبيت الحوامل 9 و 4 ، والثاني متصل بالقاعدة 6 عن طريق جسر 3. يعمل الحامل 4 على إصلاح الرنان الحساس 5. الرنان الداعم 8 هو ثابت من قبل الحامل 9.

تحت تأثير الضغط المقاس ، يضغط الغشاء 10 خلال الكم 13 على الكرة 14 ، والذي يتم تثبيته أيضًا في الحامل 4.الكرة 14 ، بدورها ، تضغط على الرنان الحساس 5. الأسلاك 7 ، المثبتة في القاعدة 6 ، تربط الرنانين 8 و 5 بالمولدين 16 و 17 على التوالي. لتوليد إشارة تتناسب مع حجم الضغط المطلق ، يتم استخدام الدائرة 15 ، والتي تولد إشارة خرج من الاختلاف في ترددات الرنان. يتم وضع المستشعر نفسه في منظم حرارة نشط 18 ، والذي يحافظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 40 درجة مئوية.

من أبسطها مستشعرات الضغط السعوي ... يشكل القطبان المسطحان والفجوة بينهما مكثفًا. أحد الأقطاب الكهربائية عبارة عن غشاء يعمل عليه الضغط المقاس ، مما يؤدي إلى تغيير في سمك الفجوة بين ألواح المكثف الفعلية. من المعروف أن سعة المكثف المسطح تتغير مع تغير حجم الفجوة في مساحة ثابتة من الألواح ، وبالتالي ، لاكتشاف حتى التغيرات الطفيفة جدًا في الضغط ، فإن المستشعرات السعوية فعالة للغاية.

تسمح مستشعرات الضغط السعوية ذات الأبعاد الصغيرة بقياس الضغط الزائد في السوائل والغازات والبخار. تعتبر مستشعرات الضغط السعوية مفيدة في العمليات الصناعية المختلفة باستخدام الأنظمة الهيدروليكية والهوائية ، في الضواغط ، في المضخات ، في أدوات الآلات. تصميم المستشعر مقاوم لدرجات الحرارة الشديدة والاهتزازات ، كما أنه محصن ضد التداخل الكهرومغناطيسي والظروف البيئية القاسية.

نوع آخر من مستشعرات الضغط الكهربائي ، يشبه عن بعد المستشعرات السعوية - الحثية أو المغناطيسية ... يقع الغشاء الموصل الحساس للضغط على مسافة ما من الدائرة المغناطيسية الرقيقة على شكل W ، والتي يتم لف الملف في قلبها الأوسط.توجد فجوة هوائية معينة بين الغشاء والدائرة المغناطيسية.

عندما يتم تطبيق جهد على الملف ، فإن التيار الموجود فيه يخلق تدفقًا مغناطيسيًا يمر عبر الدائرة المغناطيسية نفسها ومن خلال فجوة الهواء ومن خلال الغشاء ، ويغلق. نظرًا لأن النفاذية المغناطيسية في الفجوة أصغر بنحو 1000 مرة من الدائرة المغناطيسية وفي الغشاء ، حتى التغيير الطفيف في سمك الفجوة يؤدي إلى تغيير ملحوظ في محاثة الدائرة.

تحت تأثير الضغط المقاس ، ينحني غشاء المستشعر وتتغير المقاومة المعقدة للملف. يحول محول الطاقة هذا التغيير إلى إشارة كهربائية. يتم إجراء جزء القياس في المحول وفقًا لدائرة الجسر ، حيث يتم تضمين ملف المستشعر في أحد الأذرع. باستخدام ADC ، يتم تحويل الإشارة من جزء القياس إلى إشارة كهربائية تتناسب مع الضغط المقاس.

النوع الأخير من مستشعرات الضغط الذي سننظر إليه هو المستشعرات الإلكترونية الضوئية ... فهي سهلة للغاية للكشف عن الضغط ، وتتميز بدقة عالية ، وحساسية عالية ومستقرة حرارياً. تعمل هذه المستشعرات على أساس التداخل الضوئي ، باستخدام مقياس التداخل Fabry-Perot لقياس عمليات الإزاحة الصغيرة ، وهي واعدة بشكل خاص. تعتبر بلورة المحول البصري ذات الفتحة ومصباح LED وكاشف يتكون من ثلاثة صمامات ضوئية هي الأجزاء الرئيسية لمثل هذا المستشعر.

يتم إرفاق مرشحات Fabi-Perot الضوئية ذات الاختلاف البسيط في السماكة بصمامين ثنائيين ضوئيين. هذه المرشحات عبارة عن مرايا سليكونية عاكسة من السطح الأمامي مغطى بطبقة من أكسيد السيليكون ، والتي تترسب على سطحها طبقة رقيقة من الألومنيوم.

يشبه محول الطاقة البصري مستشعر الضغط السعوي ، والحجاب الحاجز الذي يتكون من النقش في ركيزة أحادية البلورية من السيليكون مغطى بطبقة رقيقة من المعدن. يحتوي الجانب السفلي من اللوحة الزجاجية أيضًا على طلاء معدني. توجد فجوة في العرض w بين اللوح الزجاجي وركيزة السيليكون ، تم الحصول عليها باستخدام فاصلتين.

تشكل طبقتان من المعدن مقياس تداخل Fabia-Perot مع فجوة هوائية متغيرة w ، والتي تشمل: مرآة متحركة موجودة على الغشاء ، والتي تغير موضعها عندما يتغير الضغط ، ومرآة ثابتة شبه شفافة موازية لها على لوح زجاجي.

على هذا الأساس ، تنتج FISO Technologies محولات ضغط حساسة مجهرية بقطر 0.55 مم فقط والتي تمر بسهولة عبر عين الإبرة. بمساعدة القسطرة ، يتم إدخال مستشعر صغير في الحجم المدروس ، حيث يتم قياس الضغط بداخله.

يتم توصيل الألياف الضوئية بجهاز استشعار ذكي ، يتم فيه ، تحت سيطرة المعالج الدقيق ، تشغيل مصدر الضوء أحادي اللون الذي يتم إدخاله إلى الألياف ، ويتم قياس شدة تدفق الضوء المنعكس للخلف ، والضغط الخارجي على يتم حساب المستشعر من بيانات المعايرة ويتم عرضه على الشاشة. في الطب ، على سبيل المثال ، تُستخدم هذه المستشعرات لمراقبة الضغط داخل الجمجمة ، لقياس ضغط الدم في الشرايين الرئوية ، والذي لا يمكن الوصول إليه بأي طريقة أخرى.