موضوع مقاله: حسگر فشار | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # حسگر فشار | مقدمه: فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می‌شود. | ## بخش 1: حسگر فشار | سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می‌کند. سنسورهای فشار می‌توانند به‌طور غیرمستقیم برای اندازه‌گیری سایر متغیرها استفاده شوند. به سنسورهای فشار، مبدل‌های فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشان دهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … نیز گفته می‌شود. با یک تخمین محافظه کارانه می‌توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند. هم چنین طبقه‌ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه‌گیری حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده‌اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می‌توان در اندازه‌گیری فشار احتراق سیلندر موتور یا گاز توربین مشاهده کرد. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین‌های کنترل ترافیک دیده می‌شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار می‌کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می‌شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می‌کند. انواع اندازه‌گیری فشار سنسورهای فشار می‌توانند براساس بازه اندازه‌گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه‌گیری طبقه‌بندی شوند. با توجه به نوع فشار، فشارسنج‌ها، به ۵ دسته طبقه‌بندی می‌شوند: سنسور فشار مطلق این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلأ کامل (۰ psi) را اندازه می‌گیرد. سنسور فشار گیج Gauge این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می‌تواند برای اندازه‌گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. سنسور فشار خلأ این سنسور برای اندازه‌گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه‌ای مشخص استفاده می‌شود. مرجع سنسور خلأ در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر (مانند اندازه‌گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلأ. سنسور فشار تفاضلی این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می‌شوند اندازه می‌گیرد. سنسور فشار مهرشده(sealed) این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه‌گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده‌است. تکنولوژی حس کردن فشار ۲ دسته‌بندی اساسی برای سنسورهای آنالوگ فشار وجود دارد: انواع جمع‌کننده نیرو: این نوع از سنسورهای فشار الکترونیکی عموماً از یک جمع‌کننده نیرو استفاده می‌کنند. (مانند دیافراگم، پیستون، لوله بوردونی) تا کشش را بر اساس نیروی اعمالی و فشار بر سطح اندازه بگیرد. | ## بخش 2: حسگر فشار | گیج‌های کشش پیزو رزیستور از اثر پیزو رزیستور گیج‌های کشش قرارداده شده بر روی تکیه گاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می‌کند. انواع تکنولوژی‌های معمول سیلیکون (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلی سیلیکون، ورق فلز قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم. عموماً گیج‌های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می‌یابند تا خروجی سنسور را حداکثر کنند. این تکنولوژی‌ها با اندازه‌گیری فشار مطلق، گیج، خلأ و فشار تفاضلی وفق داده می‌شوند. خازنی از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می‌شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند. (مطلق، تفاضلی و گیج) در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می‌شود که باعث می‌شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود؛ بنابراین ظرفیت خازن تغییر می‌کند که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود که در واحدهای فشار کالیبره شده‌است. الکترومغناطیسی جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال یا قانون جریان ادی اندازه‌گیری می‌شود. سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲–۵ دارای دو سیم پیچی می‌باشد که با یک هسته مغناطیسی کوپل شده‌اند. پیزو الکتریک از اثر پیزو الکتریک در مواد معین همانند کوارتز استفاده می‌کند تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. انواعی از کریستال‌ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. یک سمت دیافراگم برای اندازه‌گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می‌باشد و سمت دیگر دیافراگم به‌طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد (در محدوده میکرو ولت) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود. تغییرات دما کریستال را تحت تأثیر قرار می‌دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد. نوری از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می‌کند. برای مثال در مکان‌های غیرقابل دسترس، دماهای بالا یا در تکنولوژی‌های ذاتاً مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه‌گیری‌های راه دور. پتانسیومتری از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می‌کند. | ## بخش 3: حسگر فشار | انواع دیگر این انواع سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر (مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می‌کنند. رزونانس اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می‌شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می‌شود. برای استفاده از این تکنولوژی می‌توان از ابزار «جمع‌کننده نیرو» مانند موارد ذکر شده در بالا استفاده کرد. سنسورها از سیم‌های نوسان کننده، تیوب‌های نوسان کننده، کوارتز، و سیستم‌های میکرو الکترو_مکانیکی (MEMS) ساخته می‌شوند. دما با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می‌کند و به دنبال آن، گذردهی گرمایی آن تغییر می‌کند. یونیزاسیون با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می‌کند و به دنبال آن، جریان یون‌های موجود در آن تغییر می‌کند. (سرعت صوت، جرم، ضریب شکست) کاربردها سنسور فشار کاربردهای زیادی دارند از جمله: اندازه‌گیری فشار این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن‌ها فشار کارایی دارد به کار می‌رود. اندازه‌گیری ارتفاع از سطح دریا کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن‌های هواشناسی و غیره می‌باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می‌شود۰ این معادله، برای ارتفاع سنجی تا ارتفاع ۳۶٫۰۹۰ فوت (۱۱٫۰۰۰ متر) تنظیم شده‌است. ارتفاع سنج‌هایی با سنسور فشار تفکیک‌پذیری کمتر از ۱ متر دارند و تفکیک‌پذیری آن‌ها بهتر از نوع ارتفاع سنجی با سیستم GPS (که دارای تفکیک‌پذیری ارتفاع ۲۰ متر می‌باشد) است. در کاربردهای موقعیت یابی، برای تشخیص جاده‌های تپه‌ای (برای موقعیت یابی اتومبیل) یا ارتفاع طبقات ساختمان‌ها (برای موقعیت یابی فرد پیاده) استفاده می‌شود. اندازه‌گیری جریان می‌توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه‌گیری می‌شود. از آنجا که این اختلاف فشار نسبتاً کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می‌شود. اندازه‌گیری ارتفاع / عمق می‌توان از سنسور فشار برای اندازه‌گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد. معمولاً از این تکنیک برای اندازه‌گیری مکان جسم غوطه ور در آب (مانند غواص‌ها، زیر دریایی‌ها) یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می‌شود. | ## جمع‌بندی | در مواردی مانند «آب شیرین» که زیر فشار اتمسفر می‌باشد داریم: ۱psi =۲۷٫۷ in H۲O 1pa = ۹٫۸۱ mm H۲O معادله اصلی برای این اندازه‌گیری معادله زیر است: P=ρ*g*h p= فشار ρ=چگالی مایع g=گرانش h=فشار سنسور بالای مایع ستون ارتفاع آزمایش نشتی می‌توان با اندازه‌گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد.