حسگرها (دريابه)و مبدل ها

1. حسگرها (دريابه)و مبدل ها Sensors & Transducer

2. حسگر يا مبدل • هر دو از اجزاء وسايل اندازه گيری هستند • هر دو کميتی فيزيکی را به شکل قابل استفاده ای تبديل می کنند • حسگر اينکار را بدون دريافت انرژی خارجی انجام می دهد ولی مبدل با دريافت انرژی خارجی!!

3. تعاریف دیگر از ترانسدیوسر • انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کنند • تبدیل انرژی الکتریکی، نیوماتیکی، هیدرولیکی و غیره به نیروی مکانیکی یا تغییر مکان که در این صورت به آنها ترانسدیوسر های خروجی یا Activator می گویند • گاهی به ترانسدیوسر های ورودی سنسور اطلاق می شود • تبدیل دما ، فشار، و کلیه پارامتر های حالت به علائم الکتریکی

4. انواع مبدل • کميتهای غير الکتريکی به الکتريکی (4 تا 20 ميلی آمپر) يا 5 - 1 ولت • شکل ولتاژی معمولاً ارجح است • کميتهای غير الکتريکی به پنوماتيکی • پنوماتيکی به الکتريکی • الکتريکی به پنوماتيکی • مبدل های الکتريکی به دلايل زير ارجح تر هستند • اصطکاک و اينرسی در خروجی انها تاثير ندارد • تقو يت سيگنال با سهولت انجام می شود • ثبت، نمايش و انتقال سيگنال تسهيل می شود

5. کميت فيزيکی علائم الکتريکی حس کننده حرکت مکانيکی مبدل حرکت به علائم الکتريک ترانسديوسر الکتريکی مبدل کميتهای غير الکتريکی به الکتريکی • تغيير کميت های مختلف ( تغيير مکان، درجه حرارت، فشار و ....) به تغييرات علائم الکتريکی (4 تا 20 ميلی آمپر) • بسته به نوع کميت اوليه می توان آنها را به حرکت مکانيکی تبديل و نهايتا به علائم الکتريکی تبديل نمود.

6. روشهای تبديل حرکت مکانيکی • خواص الکتريکی • مقاومت • ظرفيت • سلف • فشار • سطح مايع • دما • رطوبت • نيرو

7. استفاده از تغيير مقاومت يا استرين گيجStrain Gauge • مقاومت هادی با طول رابطه خطی مستقيم و با سطح مقطع رابطه معکوس دارد: • با کشيدن سيم مقاومت از طريق افزايش طول و کاهش سطح مقطع افزايش می يابد • جهت بهبود بازده سيم مقاومت را روی ورق نازک پلاسيکی می چسبانند (قطر سيم حدود 1 هزارم اينچ) • مقاومت معمول هر استرين گيج حدود 30 Ω to 3 kΩ (unstressed). • جهت اندازه گيری دقيق بايد از تغييرات کم مقاومت استفاده نمود و به صورت پل

8. بدليل متداول بودن در اندازه گيری کرنش (Strain) به آنها Strain gauge می گويند • برای تغيير طول نسبی در اثر تنش ، نيرو، فشار و يا حرارت • متشکل از سيم مقاومتی ظريف به صورت رفت و بر گشتی • رابطه حاکم • مقدار تغيير در مقاومت را می توان به تنش نيز مرتبط نمود • تغيير فرم در استرين گيج بايد تا حد الاسيک باشد • براي اينكه تغيير مقاومت قابل اندازه گيری باشد بايد طول سيم حساس زياد باشد • فاكتور گيج بالا (ايجاد كم كرنش سبب تغييرات زياد در مقاومت) • سطح اشغال شده كم باشد تا بتوان به كرنش نقطه اي نزديك شد • بصورت حكاكي و مارپيچي

9. ضريب گيج gage factor • بيانگر مقدار تغيير در مقاومت گيج به تغيير طول R: مقاومت اوليه گيج (بدون اعمال كرنش) R: تغيير در مقاومت L: طول گيج L: تغيير در طول گيج : مقدار كرنش G : فاكتور گيج كه حدوداً 2 براي لايه فلزي و تا 20 براي لايه ضخيم و نيمه هادي مواقعی با K نشان داده می شود

10. استرين گيج به صورت پل • چون مقادير تغييرات خروجي كم است مناسبترين روش اندازه گيري پل است • استفاده از پل مقاومتي (DC ) (تقسيم كننده موازي ولتاژ) • پل امپدانسي (AC, DC ) مقاومت، خازن و سلف • بر خلاف پل وتسون که بايد با تغيير مقاومت حالت بالانس بر قرار نمود در پل S.G. مقدار خارج از بالانس توسط ولت متر که در وسط پل قرار می گيرد، اندازه گيری می شود • قبل از اندازه گيري بايد تعادل بر قرار شود • استفاده از پتانسيومتر

11. استرين گيج A thin plastic base supports thin ribbons of metal, joined in a zig-zag to form one long electrically conductive strip. The entire device is typically 10 mm long, with 16 or more parallel metal bands.

12. = 4V/ Ek E • the rheostat arm of the bridge (R2 in the diagram) is set • at a value equal to the strain gauge resistance with no force applied. • The two ratio arms of the bridge (R1 and R3) are set equal to each other • ٌ with no force applied to the strain gauge, the bridge will be • symmetrically balanced and the voltmeter will indicate zero volts, • representing zero force on the strain gauge. مقاومت سيمها سبب گرم شدن مدار گشته و لذا اندازه گيری با خطا همراه خواهد بود

13. Resistors R1 and R3 are of equal resistance value, • and the strain gauges are identical to one another. • With no applied force, the bridge should be in a perfectly balanced condition and the voltmeter should register 0 volts. • Both gauges are bonded to the same test specimen, but only one is placed in a position • and orientation so as to be exposed to physical strain (the active gauge). • The other gauge is isolated from all mechanical stress, and acts merely • as a temperature compensation device (the "dummy" gauge). • If the temperature changes, both gauge resistances will change by the same percentage, • and the bridge's state of balance will remain unaffected. • Only a differential resistance (difference of resistance between the two strain gauges) • produced by physical force on the test specimen can alter the balance of the bridge.

14. However, if we were to take the upper strain gauge and position it so that it is exposed to the opposite force as the lower gauge (i.e. when the upper gauge is compressed, the lower gauge will be stretched, and visa-versa), we will have both gauges responding to strain, and the bridge will be more responsive to applied force. This utilization is known as a half-bridge. Since both strain gauges will either increase or decrease resistance by the same proportion in response to changes in temperature, the effects of temperature change remain canceled and the circuit will suffer minimal temperature-induced measurement error:

15. F R1 R3 R4 R1 R1 R3 R2 R4 R2 R3 R2 R4 When possible, the full-bridge configuration is the best to use. This is true not only because it is more sensitive than the others, but because it is linear while the others are not. Quarter-bridge and half-bridge circuits provide an output (imbalance) signal that is only approximately proportional to applied strain gauge force. Linearity, or proportionality, of these bridge circuits is best when the amount of resistance change due to applied force is very small compared to the nominal resistance of the gauge(s). With a full-bridge, however, the output voltage is directly proportional to applied force, with no approximation (provided that the change in resistance caused by the applied force is equal for all four strain gauges!).

16. طرز استفاده از استرين گيج

17. ويژه گیهای کرنش سنج خوب • رابطه بین تغییرات مقاومت و تغییرات کرنش خطی باشد • مقاومت کرنش سنج کم ولی حساسیت به کرنش بالا باشد • قیمت ان کم و کاربرد ان آسان باشد • اندازه فیزیکی و جرم ان کم باشد • انعطاف پذیر باشد تا بدون ایجاد تنش اضافی در کرنش سنج روی قطعه نسب گردد.حساسیت کمتر به عوامل محیطی مثل دما • توانایی اندازه گیری استاتیک و دینامیک • پایداری بالا، خطی بودن و پسماند کم

18. پتانسیومتر ها • برای اندازه گیری جابجایی ناشی از سرعت، شتاب، نیرو و فشار (در مقياس بزرگتر) • متشکل از عناصر مقاومتی حاوی اتصال متحرک لغزان • مقاومت متشکل از سیمی با مقاومت زیاد ( مثل نیکروم) • نصب روی پایه ثابت • مقاومت متغیر بین یک انتهای سیم پیچ و اتصال لغزان • حرکت اتصال لغزان ممکن است خطی، چرخان و حتی مارپیچی • محدوده حرکت • خطی بین 5 تا 1000 میلی متر • گرد یا دورانی از 10 درجه تا 60 دور ( 20000 درجه) • اگر چه تلاش می شود خروجی آنها خطی باشد ولی می توان نشان داد که با افزایش جابجایی غیر خطی بودن نمایان می شود • اگر مقاومت ناشی از جابجایی حدود 10% مقاومت کل باشد خطای ناشی از غیر خطی بودن حدود 5/1 % • در حداکثر جابجایی حدود 12%

19. رزولوشن پتانسیومتر • در نوع سیم پیچی شده (wirewound)تغییرات مقاومت ناشی از حرکت لغزنده به صورت پله ای است (حرکت از یک دور به دور بعد( • حداکثر رزولوشن 40 ± میکرومتر است • در نوع لایه کربنی (کرمت cermet) مخلوط سرامیک و فلز و یا پلاستیک هادی (مخلوط رزین پلاستیک و پودر فلز) • اصطلاحاً دارای رزولوشن بی نهایت هستند ( غیر پرشی) • مقدار رزولوشن نامشخص • بستگی به یکنواخت بودن ساختمان آنها • نمی توانند جریانهای عبوری زیاد را تحمل کنند • نوع هیبرید • مزایای هردو • لایه ای از پلاستیک هادی بر روی سیم پیچ

20. استفاده از پتانسيو متر (Rheostat) بعنوان مبدل تغيير مکان به علائم الکتريکی • با اتصال اهرم رئوستا به قطعه مورد نظر حرکات قطعه را می توان بوسيله تغيير مقاومت اندازه گيری نمود . • تغيير مقاومت به صورت تغيير ولتاژ خروجی می گردد. • ولتاژ بين نقاط 1 و 2 متناسب با تغيير مکان است • مقاومت مورد استفاده ممکن است خطی يا حلقوی باشد

21. ترانسدیوسر های تغییر مکان خازنی • ظرفیت خازن در اثر جدا کردن دو جسم هادی توسط یک عایق دی الکتریک حاصل می شود • وقتی به دو سر خازن ولتاژ اعمال شود بار Q± روی دو طرف خازن قرار می گیرد • ظرفیت خازن عبارتست از نسبت C=Q/V C=0  (A/d) 0: ضريب دي الكتريك خلاء 8.85 e-12 F/m  : ضريب دي الكتريك ماده

22. استفاده از تغيير ظرفيت برای مبدل تغيير مکان به علائم الکتريکی رابطه مورد استفاده: تغيير مکان

23. مناسب تغيير مكان هاي كوچك ناشي از تغييرات فشار و شتاب (كمتر از 1 ميلي متر) • تغيير موقعيت ماده دی الکتريک • تغيير فاصله بين صفحات • تغيير سطح موثر صفحات خازن • در عمل انواع دو صفحه اي به دليل خروجي غير خطي مناسب نيست • استفاده از سه صفحه اي و يا تفاضلي

24. مبدلهای خازنی تفاضلی نياز به اتصال متحرك • معادل LVDT در القايي • به جای دو سيم اتصال سه سيم وجود دارد يکی به صفحه • مشترک و دوم سيم ديگر هر يک به صفحه های مجزا • اضافه شدن ظرفيت در يک طرف معادل • کم شده در طرف ديگر است • اين نوع مبدل به صورت پل عمل می کنند • خروجی ظرفيت در مقياس پيکو فاراد است (كمتر از 1000pF يا (1nF) • برای افزايش ظرفيت خروجی و عكس العمل سريع بايد فرکانس مدار تغذيه را زياد کرد (بيشتر از 100 kHz) • شديداً حساس به تغييرات رطوبت (نياز به اب بندي در محفظه خلاء) عدم نياز به اتصال متحرك

25. رفتار مبدل هاي جابجايي خازني • دو صفحه اي • غير خطي • با تغيير d تغيير C بصورت هيپربوليك است • حساسيت (C/ d) متناسب با 1/d2است • سه صفحه اي (تفاضلي) • خروجي خطي • اگر در حالت تعادل C1=C2باشد و فاصله در دو طرف d باشد و جابجايي x در صفحه مشترك صورت گيرد ظرفيت ها بصورت: C1=0  (A/(d+x)) C2=0  (A/(d-x)) اگر ولتاژ اعمال شده Ve ، ولتاژ خروجي بصورت خطي تغيير خواهد كرد: در اين صورت حساسيت سيستم Vout / x بطور معكوس با d متناسب است

26. استفاده از تغيير اندوکتانس در سلفInductive Transducers • اندوکتانس با ضريب هدايت مغناطيسی هسته آن متناسب است. • مزيت: عدم نياز به كنتاكتور لغزنده در پتانسيومتر • ضعف: فقط با جريان AC كار مي كنند • در اين مبدلها از تغييرات خواص مغناطيسی مدارهای الکتريکی در اثر جابجايي اجسام يا هر حرکت مکانيکی ( تغيير مکان) استفاده می شود. • مبدلهای خود القايي با يک يا دو سيم پيچ Variable self inductance T • مبدل های القاء متقابل Variable mutual inductance • دو سيم پيچه • سه سيم پيچه • مبدل های مقاومت متغيير Variable reluctance

27. خاصيت خود القايي • L: ضريب القايي بر حسب هانری • N: تعداددور سيم پيچ • l: طول متوسط سيم پيچ • : نفوذ پذيری مغناطيسی هسته • A: سطح مقطع سیم پیچ

28. مرور مدار مغناطيسي • از بسياري جهات مثل مدار الكتريكي است (MMF متناظر با ولتاژ كه باعث جاري شدن فلوي مغناطيسي مي شود) V=I.R MMF=. = ni • مي توان نشان داد كه خود القايي L تابعي از رلاكتانس  است L=(n2/ ) • رلاكتانس نيز : = (l / A) ايجاد فاصله هوايي باعث تغيير رلاكتانس و در نتيجه تغير فلوي مغناطيسي مي شود مثال دور شمار مغناطيسي كه فركانس سيگنال خروجي با دور متناسب است

29. مدار ساده القايي • با تغيير مکان هسته permeability مسير شار تغيير کرده و ضريب القايي تغيير می کند • با اعمال ولتاژ متناوب به دو سر سيم پيچ با حرکت هسته بداخل سيم پيچ جريان افزايش می يابد مقاومت (امپدانس) مدار: xL=L يا = 2L • حرکت هسته می تواند خروجی هر نوع مبدل مکانيکی مثل مبدل فشار تغيير مکان باشد

30. Variable Mutual inductionالقاء متقابل اندازه گيری استاتيکی از نوع رلاکتانس متغیر اندازه گيری ديناميکی از نوع Linear Displacement Transducer , LDT

31. ترانسفورماتور تفاضلی متغير خطی (LVDT)LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER • متشکل از يک سيم پيچ اوليه و دو ثانويه که به صورت سری مخالف بسته می شوند و يک هسته متحرک. • اوليه توسط منبع ولتاژ AC تغذيه می شود • وقتی هسته در وسط قرار دارد ولتاژ القايي در ثانويه ها برابر و ولتاژ خروجی صفر خواهد بود • با حرکت هسته ولتاژ خروجی به صورت vout= v1 –v2تغيير می کند • ولتاژ خروجی در محدوده های کوچک جابجايي خطی است vout= Cd C : ضريب زاويه منحنی مشخصه مبدل مناسب حركت خطي و شبه دوراني

32. پايه تئوری LVDT ولتاژ سينوسی V(t)=Vmax sin(t) VA = kA sin(t-) VB = kB sin(t-) • اختلاف فاز بين سيم پيچ اوليه و دو سيم پيچ ثانويه است kAو kBضرائب تبديل مربوط به کوپلينگ بين اوليه و ثانويه است در حالت تعادل kA و kBبرابر هستند در نتيجه دو ولتاژ ثانويه برابر و ولتاژ خروجی صفر خواهد بود در غير حالت تعادل Vout = )kA- kB( sin(t-) ولتاژ خروجی می تواند يکسو شود و يا اينکه به صورت RMS نمايش داده شود

33. ولتاژ متناوب ورودی اوليه هسته (مغزی) سيم پيچ 2 سيم پيچ 1 ولتاژ خروجی Linear Variable Differential Transformers are ideal for applications in harsh industrial environments such as high temperature and pressure applications, dynamic applications and long term cycles.

34. ميله فريتي • دو سر وسط عموماً اوليه هستند • با ولتاژ حدود 24 ولت كار مي كنند • فركانس بين Hz 50 تا kHz 25 • معمولاً سيگنال خروجي دستگاه به DC تبديل مي شود • براي محدوده حركتي از 25/0 تا 500 ميلي متر • نسبتاً گران و براي كار هاي تحقيقاتي

35. مبدل های مکانيکی • برای تبديل کميت های فيزيکی (نيرو، فشار، دما، رطوبت،..) به حرکت مکانيکی و جابجايی • با توجه به اينکه ميدان اندازه گيری کميتهای فوق ( در صنعت و کلاً همه امور) بسيار وسيع می باشد، حس کردن هر يک از آنها در تمام محدوده آنها با يک حسگر امکان پذير نيست • محدوده ها به نواحی کوچکتر تقسيم و در هر مورد حسگر مخصوص استفاده می شود

36. مبدل فشار به تغيير مکان (فانوسBellow )

37. لوله هاي بوردون • همراه با پتانسومتر براي تشخيص جابجايي • بطور محسوس رفتار غير خطي • خطاي هيسترزيس (1 تا 2 % انحراف كامل) • تا فشار هاي (psi 100000) • براي فشار هاي كم (psi 1000) نوع مارپيچي و يا تابيده spiral • جابجايي بيشتر ايجاد مي كنند • بالاترين دقت قابل حصول 1/0 %

38. فانوسBellow • خطي تر از لوله بوردون • برگشت پذير ( هيسترزيس كم) • برای حس کردن فشار (در سيستم هاي پنوماتيك) • متشکل از حلقه های فلزی کنار هم • مجهز به فنر (Range Spring) مختلف • جهت محدوده های مختلف • مجموعه فنر و فانوس به گونه ای بايد انتخاب شوند که به صورت خطی عمل کند

39. 2- نمايشگر (حسگر) سطح مايعات • ساده ترين سنسور • با تغيير اتصالات مکانيکی می توان • دقت و حساسيت حسگر را با لا برد • کاربرد در کولر ها، مخازن مواد شيميائی • باک سوخت و کاربراتور

40. 3- دور سنج های مکانيکی • در واقع مبدل شتاب (نيرو) به تغيير مکان است • R2 • به عنوان دور سنج در پمپ انژکتور (گاورنر) و دلکو • بعنوان کليد قطع و وصل در موتور کولر

41. کميت فيزيکی علائم پنوماتيکی حس کننده حرکت مکانيکی مبدل حرکت به علائم پنوماتيکی ترانسديوسر پنوماتيکی ترانديوسر کميت های فيزيکی به علائم پنوماتيکی • تبديل کميتهای مختلف ( تغيير مکان، درجه حرارت،...) به تغييرات فشار هوا ( از 3 تا 15 PSIG)

42. علائم مکانيکی فلاپر تغذيه هوا 20 psi P1 50 نازل (1.0 mm) فشار پشت نازل cm HG Orifice (0.5 mm) 0.15 mm فاصله فلاپر علائم پنوماتيکی اصول کار • متشکل از فلاپر و نازل Flapper & nozzle • فلاپر به عنوان ورودی علائم مکانيکی • هوای تغذيه بطور استاندارد 20 PSIG يا 2.76 bar • فشار خروجی تابعی از فاصله فلاپر است (حداکثر 0.15 mm) • قطر Orifice حدود نيم ميلی متر و قطر نازل دو برابر آن

43. ترانسديوسر های پيزوالکتريک piezoelectric • تبديل انرژی مکانيکی به الکتريکی piezo means pressure in Greek • پديده ايجاد الکتريسيته از طريق اعمال فشار بر کريستال ها و تغيير ابعاد • اعمال فشار سبب پولاريزه شدن کريستال و ايجاد ولتاژ می گردد (مثل ميکروفون های پيزوالکتريک) • اثر برگشت پذير (اعمال ولتاژ به دو وجه روبرو باعث تغيير ابعاد ان مي شود) • مواد پيزو الكتريك بصورت بلور يا سراميك هستند • Electrets are solids which have a permanent electrical polarization. (These are basically the electrical analogs of magnets, which exhibit a permanent magnetic polarization). • این کريستال ها ساختمانی شبيه الکتريت ها (دوقطبی الکتريکِی) دارند • اعمال فشار سبب تغيير فرم دوقطبي ها گرديده به گونه ای که بارها کاملآ خنثی نمی شوند • كريستال كوارتز و نمك روشل خاصيت پيزو الكتريك دارند ولي اثر ان ضعيف است • تركيبات پيزو الكتريك مصنوعي (سراميك هاي فروالكتريك) اثر بيشتر • بر خلاف كريستال ها به هر شكلي و اندازه اي توليد مي شوند • مخلوط هايي از تيتانات باريم، زيركونات سرب و متانيوبات سرب

44. P A E=gtp t g • g حساسيت ولتاژ که به صورت نسبت ميدان الکتريکی توليد شده و فشار اعمال شده • اين نسبت به جنس ماده و جهت بريده شدن کريستال بستگی دارد

45. ترانسديوسر فتوالکتريک • جهت تبديل پرتو های نوری به علائم الکتريکی I=S I: جريان فتو الکتريک (امپر) : شدت رو شنايي تابيده شده به کاتد (لومن) S: حساسيت بر حسب آمپر بر لومن • عوامل موثر • پوشش لامپ • طول موج پرتو ( اکثر مواد در محدوده 0.2 - 0.8 ميکرون) • مناسب اندازه گيری شدت نور

46. نور آمپر متر ماده نيمه رسانا ترانسديوسرهای نور رسانا • با برخورد نور به بعضی نيمه رساناها مقاومت آنها کاهش می يابد • جريان در مدار زياد می شود • بعنوان اندازه گيری تشعشع در تمام طول موج ها

47. - لايه نازک فلزی نيمه هادی Eo R پايه فلزی + ترانسديوسر يا سلول های فتو ولتايی • متشکل از پايه فلزی، ماده نيمه رسانا و لايه نازک شفاف فلزی • در اثر تابش نور ولتاژ القاءمی شود • ولتاژ خروجی بستگی به مقاومت R ( تقريبا“ لگاريتمی) • در مقاومت های کمتر نزديک به خطی می شود اساس کار باتری های خورشيدی

48. RF Gen.  صفحات جابجايی لامپ گازی E ترانسديوسر يونشی ionization Transducer • شامل لامپ گازی در فشار پايين، ژنراتور RF و صفحات تابشی • در اثر ميدان RF ولتاژی در دو سر الکترود های لامپ ايجاد می شود که بستگی به تقارن صفحات نسبت به الکترود ها دارد • در حالت تقارن ولتاژ (dc) صفر است • وسيله ای مناسب برای اندازه گيری جابجايي

49. سنجش ميدان مغناطيسی متغير • سيم پيچ با N دور در ميدان قرار می گيرد • ولتاژ خروجی: E=N (d/dt) • سيگنال ميدان مغناطيسی (متغير) را به ولتاژ تبديل می کند

50. ترانسديوسر برای ميدانهای ثابت • بايد سيم پيچ در ميدان حرکت نمايد • از سيم پيچ نوسانی يا چرخان B: چگالی شار بر حسب وبر بر متر مربع A: مساحت حلقه بر حسب متر مربع : سرعت زاويه ای ( راديان بر ثانيه) مثال: شدت ميدان مغناطيسی را برای يک کلاف دوار با 10 دور ، مساحت cm25 ، سرعت دورانی rpm 100 با ولتاژ mV 40 را مشخص کنيد