معرفی
فشار به عنوان مقدار نیرویی که توسط یک مایع یا گاز به واحدی از مساحت اعمال می‌شود، تعریف می‌گردد. سنسور فشار یک مبدل یا ابزار است که فشار مکانیکی ورودی در گازها یا مایعات را به سیگنال الکتریکی خروجی تبدیل می‌کند. مبدل فشار شامل یک عنصر حساس به فشار است که می‌تواند فشار اعمال‌شده را اندازه‌گیری، تشخیص یا نظارت کند و دارای اجزای الکترونیکی است که اطلاعات را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. واحدهای متداول فشار شامل پاسکال (Pa)، بار (bar)، نیوتن بر میلی‌متر مربع (N/mm2) یا پوند بر اینچ مربع (psi) هستند.
سنسورهای فشار بر اساس اندازه، ظرفیت، روش اندازه‌گیری، تکنولوژی حسگر و نیازهای خروجی متفاوت هستند. در ادامه با عملکردها و قابلیت‌های مختلف سنسورهای فشار و تکنولوژی‌های مختلف اندازه‌گیری فشار آشنا می‌شویم.
نحوه کارکرد سنسور فشار
برای درک نحوه کار یک سنسور فشار صنعتی، ابتدا باید اصول فیزیکی و علم مواد پشت این تکنولوژی را فهمید. سنسورهای فشار معمولاً از اثر پیزورزیستیو استفاده می‌کنند که شامل تغییر مقاومت الکتریکی یک گیج کرنش است. گیج کرنش که یک مبدل است، مقاومت الکتریکی خود را با نیروی اعمال شده تغییر می‌دهد. به عبارت دیگر این سنسور فشار، کشش، فشردگی، فشار و وزن را به تغییر در مقاومت الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد.
گیج‌های کرنش از رساناهای الکتریکی تشکیل شده‌اند که به یک فیلم به صورت زیگزاگ چسبیده‌اند. وقتی فیلم کشیده می‌شود، این رساناها نیز کشیده می‌شوند و باعث تغییر در مقاومت می‌شوند. تغییرات مقاومت به نسبت کشش و فشردگی اعمال‌شده به سنسور اندازه‌گیری می‌شود.
ساختار سنسور فشار
یک سنسور فشار معمولاً از یک بدنه فلزی (که به آن انعطاف‌پذیر نیز می‌گویند) تشکیل شده است که گیج‌های کرنش به آن متصل شده‌اند. این بدنه معمولاً از آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ ساخته شده است. این دو ماده به سنسور دو ویژگی مهم می‌دهند:
- استحکام لازم برای تحمل بارهای بالا
- خاصیت ارتجاعی که به سنسور اجازه می‌دهد پس از برداشته شدن نیرو به شکل اصلی خود بازگردد.
سنسور فشار فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این سنسورها از اثر پیزورزیستیو استفاده می‌کنند که شامل گیج‌های کرنش فلزی نصب‌شده روی یک دیافراگم است. با تغییر فشار، دیافراگم تغییر شکل می‌دهد و باعث تغییر مقاومت در گیج‌های کرنش می‌شود که تغییرات فشار به صورت الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود.
مدار پل و تقویت‌کننده در سنسور فشار
گیج‌های کرنش در یک مدار پل وستون قرار می‌گیرند که به‌صورت یک مدار حلقه‌ای از چهار گیج کرنش متصل می‌شوند. این پیکربندی به حداکثر رساندن خروجی سنسور و کاهش حساسیت به خطاها کمک می‌کند. سیگنال خروجی تولید شده توسط پل گیج کرنش ممکن است ضعیف باشد و نتواند با سایر اجزای سیستم مانند PLCها یا ماژول‌های جمع‌آوری داده (DAQ) کار کند، بنابراین تقویت‌کننده سیگنال در سنسور به منظور تقویت و تبدیل سیگنال به شکل مورد نیاز استفاده می‌شود.
انواع سنسورهای فشار و روش‌های اندازه‌گیری
سنسورهای فشار می‌توانند بر اساس نوع فشار اندازه‌گیری شده و تکنولوژی حسگر مورد استفاده طبقه‌بندی شوند:
سنسور فشار تفاضلی: سنسورهای فشار تفاضلی، اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف در سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند. این نوع سنسورها معمولاً دارای دو پورت هستند که به دو نقطه فشار متصل می‌شوند تا اختلاف فشار بین این نقاط اندازه‌گیری و محاسبه شود. این روش بیشتر برای اندازه‌گیری جریان مایعات یا گازها در لوله‌ها استفاده می‌شود.
سنسور فشار مطلق یا خلاء: این سنسورها فشار را نسبت به خلاء کامل اندازه‌گیری می‌کنند. سنسورهای فشار مطلق در کاربردهایی که نیاز به یک مرجع ثابت دارند استفاده می‌شوند، مانند نظارت بر پمپ‌های خلاء، اندازه‌گیری فشار مایعات، و در فرآیندهای صنعتی و صنایع هوافضا.
سنسور فشار گیج یا نسبی: فشار گیج نوعی فشار تفاضلی است که فشار را نسبت به فشار محیط اندازه‌گیری می‌کند. اگر فشار اندازه‌گیری‌شده بیشتر از فشار محیط باشد، به آن فشار مثبت و اگر کمتر باشد، فشار منفی یا خلاء گفته می‌شود.
تکنولوژی‌های حسگر فشار
سنسورهای فشار از تکنولوژی‌های مختلفی برای تبدیل فشار به سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کنند. در ادامه به چند تکنولوژی رایج اشاره می‌شود:
اثر پیزورزیستیو: سنسورهای پیزورزیستیو از تغییر مقاومت الکتریکی گیج کرنش متصل به دیافراگم استفاده می‌کنند. این گیج‌ها معمولاً از عناصر مقاومتی فلزی روی یک لایه انعطاف‌پذیر تشکیل شده‌اند که به دیافراگم چسبیده است. گیج‌های کرنش معمولاً به شکل یک مدار پل ویتستون متصل می‌شوند تا خروجی سنسور را حداکثر کرده و حساسیت به خطا را کاهش دهند.
تکنولوژی خازنی: سنسورهای خازنی از یک دیافراگم استفاده می‌کنند که با اعمال فشار تغییر شکل می‌دهد و باعث ایجاد یک خازن متغیر می‌شود. با اعمال فشار، دیافراگم فشرده می‌شود و مقدار خازن کاهش می‌یابد. پس از برداشتن فشار، دیافراگم به حالت اولیه خود بازمی‌گردد و ظرفیت خازنی نیز بازمی‌گردد.
اثر پیزوالکتریک: سنسورهای فشار پیزوالکتریک از مواد پیزوالکتریک مانند سرامیک استفاده می‌کنند که تحت فشار مکانیکی پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کنند. این سنسورها به دلیل سرعت پاسخ‌دهی سریع برای اندازه‌گیری فشارهای دینامیکی مناسب هستند.
کاربردها
سنسورهای فشار کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله بهداشت و درمان، خودرو سازی، هوافضا و تهویه مطبوع دارند. نحوه استفاده از مبدل به مقدار فشار اندازه‌گیری شده و نوع عملکردی که در پاسخ به تغییر فشار رخ می‌دهد بستگی دارد.
تهویه مطبوع
در صنعت تهویه مطبوع، سطوح مختلف فشار هوا در طول داکت‌ها، فیلترها و دیگر سیستم‌ها جابه‌جا می‌شوند. سنسورهای فشار برای اندازه‌گیری فشار دیفرانسیلی هوا در داکت‌ها و فیلترها به کار می‌روند تا تنظیم جریان هوا در سیستم‌های حجم هوای متغیر بهبود یابد. با استفاده از این سنسورها، مدیران تاسیسات می‌توانند بهره‌وری عملیاتی و انرژی را از طریق تنظیم نرخ جریان هوا افزایش دهند.
خودروسازی
در صنعت خودروسازی، سنسورهای فشار در سیستم‌های کیسه هوا، منیفولد موتور و سیستم‌های نظارت بر فشار تایر یافت می‌شوند. این سنسورها برای نظارت بر سیستم‌های مکانیکی طراحی شده‌اند تا راننده را از مشکلات احتمالی مطلع کنند یا ایمنی راننده و سرنشینان را تضمین کنند.
به عنوان مثال، سنسورهای فشار کیسه هوا عواملی مانند سرعت خودرو، کاهش ناگهانی سرعت، فاصله کیسه هوا تا صندلی و سایر عوامل را بررسی می‌کنند. در صورت وقوع تصادف، سیستم سنسور کاهش سرعت خودرو را اندازه‌گیری کرده و سیگنالی به کامپیوتر ارسال می‌کند تا کیسه هوای مناسب فعال شود.
سنسور فشار تایر به صورت مداوم فشار تایر خودرو را نظارت می‌کند. اگر فشار تایر کاهش یابد، سیگنالی به راننده ارسال می‌شود، مانند یک چراغ هشدار یا نمایشگر، تا او را از مشکل فشار تایر مطلع کند.
بهداشت و درمان
در حوزه بهداشت و درمان، سنسورهای فشار برای نظارت بر برخی از جنبه‌های سلامت بیمار به کار می‌روند. این سنسورها اطلاعات لازم را به کادر پزشکی منتقل می‌کنند تا درمان مناسب ارائه شود. از جمله کاربردهای رایج این سنسورها می‌توان به نظارت بر فشار خون، دستگاه‌های دیالیز و تجهیزات تنفسی اشاره کرد.
در مورد دستگاه دیالیز، سنسور فشار نصب شده بر روی برد، جریان خون را در حین درمان دیالیز بیمار نظارت و تنظیم می‌کند. همچنین سنسور فشار خون جریان خون را در یک شریان هنگام تشخیص پالس‌های خونی اندازه‌گیری می‌کند. این لرزش‌ها توسط کاف سنسور ثبت شده و به یک اندازه‌گیری تبدیل می‌شوند.
هوافضا
در صنعت هوافضا، سنسورهای فشار عمدتاً برای کمک به پرواز هواپیما و در ابزارهای پرواز استفاده می‌شوند. این سنسورها اندازه‌گیری‌هایی مانند ارتفاع و سرعت هوا، نظارت بر فشار سوخت و فشار کابین را ارائه می‌دهند. با درک این اندازه‌گیری‌ها، خلبان می‌تواند ایمنی پرواز را تضمین کند. سنسورها در صورت بروز مشکلات احتمالی، سیگنالی را برای هشدار به ابزارهای پرواز ارسال می‌کنند.
سنسورهای فشار کابین برای نظارت بر فشار هوا در کابین هواپیما استفاده می‌شوند. اگر فشار کاهش یابد، به معنای محدود بودن هوای قابل تنفس است، که می‌تواند خطری برای مسافران ایجاد کند و نیاز به استفاده از ماسک‌های اکسیژن تا زمان رفع مشکل باشد.
جمع‌بندی
سنسورهای فشار ابزاری مهم در اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های مختلف صنعتی هستند. آن‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های مختلف مانند پیزورزیستیو، خازنی و پیزوالکتریک فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند و در کاربردهای گوناگون از جمله اندازه‌گیری فشار تفاضلی، مطلق و گیج مورد استفاده قرار می‌گیرند.