سنسور پارک (Reversing)
مطالب ارائه شده در فصل های قبل همه در برگیرنده نقس سنسورها در صنعت و خصوصاً در اتومبیل های امروزی که بسیار حائز اهمیت هستند و سنسورهای ارائه شده در فصول قبل هر کدام با قیمت اتومبیل های روز دنیا از آنجا استفاده می شود . حتی از سنسورهای شیمیایی در خودروهای نظامی کاربرد وسیعی دارد.

اندازه گیریهای جابه جایی اشیاء در علوم کاربردی از اهمیت اساسی برخوردار است و پایه اندازه گیری سرعت، شتاب ، کشش (با استفاده از عناصر قابل ارتجاع) ، نیر و فشار است. اندازه گیری جابه جایی در حالت جابه جایی چرخشی نیز مانند جابه جایی انتقالی قابل اندازه گیری است. قوانینی که مبنای عمل سنسورهای جابه جایی هستند در هر دو مورد جابه جایی خطی و حرکت چرخشی صدق می کنند. به همین دلیل هر دو نوع اندازه گیری، به موازات هم مورد بررسی قرار می گیرند.

پتانسیومترها
پتانسیومترها عموماً شامل عنصر مقاومتی است که یک اتصال متحرک لغزان در آن تعبیه شده است. شکل اولیه پتانسیومتر شامل مقاومتی است که از سیم با مقاومت زیاد، مانند نیکروم تشکیل شده و روی پایه مناسبی از جنس عایق پوشیده شده است. اتصال متحرک عبارت است از بازوی متحرکی که می تواند روی مسیر مقاومتی بلغزد. بنابراین بین یک انتهای مسیر سیم پیچی شده و اتصال لغزان، مقاومت متغیری بوجود می آید. حرکت اتصال لغزان می تواند خطی، چرخان و یا ترکیبی از آن دو مثلاً به شکل مارپیچی باشد. پتانسیومترهای حرکت انتقالی (که اصطلاحاً خطی نیز گفته می شوند) دارای بستر لغزش mm 1000 – 5 هستند. پتانسیومترهای گرد دارای فاصله انحراف از ۱۰ تا ۶۰ دور می باشند ( ۲۰۰۰۰ <).

خطی بودن پتانسیومتر
اگر مقاومت پتانسیومتر نسبت به جابه جایی اتصال لغزندة آن، خطی باشد (شکل ۱۲ – ۱ را ببینید) ، در شرایطی که ولتاژ eex ولتاژ تحریک اعمال شده به پتانسیومتر بوده و

خروجی پتانسیل مدار باز بوده و جریانی که از آن کشیده نشود ولتاژ خروجی e0 تابعی خطی از جابه جایی xi است. اما، چون هر مداری که به خروجی پتانسیومتر وصل می شود عملاً دارای امپدانس ورودی بی نهایت نیست و مقداری جریان از پتانسیومتر می کشد، لذا با اتصال خروجی پتانسیومتر خطی به هر مداری، تا حدودی مشخصات خطی بودن پتانسیومتر کاهش می یابد. شکل ۱۲-۱پ۲ وضعیت فوق را نشان می دهد. از تحلیل سادة مدار نتیجه می گیریم که :

در شرایط ایده آل برای مدار باز داریم ۰ = Rp/Rm و همانگونه که در شکل (۳ ۱۲-)

شکل (۱۲-۳) اثرات بارگذاری پتانسیومتر
مشاهده می شود رابطه بین e0 و xi یک رابطه اگر Rp=RM باشد، ماکزیمم انحراف از خطی بودن حدود ۱۲% است. اگر Rm RP=10% باشد، خطا به ۱٫۵% کاهش می یابد. برای مقادیری از Rp و Rm که Rp/Rm<0.1 محل خطای بیشینه در ناحیه ای است که xi/xt=0.67 و خطای ماکزیمم تقریباً ۱۵Rp/Rm% از مقیاس کامل است.

برای اینکه خطی بودن پتانسیومتر حفظ شود بایستی امپدانس Rm مداری که به پتانسیومتر وصل می شود در مقایسه با امپدانس Rp پتانسیومتر که تا حد ممکن بایستی کوچک انتخاب شود، به مقدار کافی بزرگ باشد، متأسفانه ضرورت فوق با حساسیت زیاد پتانسیومتر در تناقض است. چون خروجی e0 مستقیماً متناسب با ولتاژ تحریک eex است، ابتدا به نظر می رسد که با اضافه کردن eex می توان هر خروجی مورد نظر را به دست آورد. اما پتانسیومترها دارای میزان توان مشخصی هستند که با توانایی اتلاف حرارتی آنها تعیین می شود. اگر اتلاف حرارتی در محدودة H وات باشد، ماکزیمم ولتاژ تحریک مجاز عبارت است از :

بنابراین، مقادیر کم Rp مقادیر کوچک eex را به دست می دهد و نتیجتاً حساسیت کاهش می یابد. برای انتخاب Rp بایستی مصالحه ای بین بارگذاری و حساسیت انجام می گیرد چون هرچه بارگذاری بیشتر شود حساسیت کاهش می یابد و بالعکس.

ریزولوشن پتانسیومتر
ریزولوشن پتاسیومتر بستگی به شکل و نوع عنصر مقاومتی آن دارد. در یک پتانسیومتر سیم پیچی شده (اصطلاحاً پتانسیومتر سیمی یا Wirewound ) . همانگونه که د شکل (۴ – ۱۲) مشاهده می شود، هم زمان با حرکت برشی لغزندة پتانسیومتر از یک دور سیم مقاومت به دور سیم بعدی، مقاومت نیز به طور پله ای افزایش می یابد. بنابراین در پتانسیومترهای ردیفی ماکزیمم ریزولوشن قابل دسترسی حدود است.

پتانسیومترهایی که از جنس لایة کربنی، کرمت (Cermet) (مخلوط سرامیک و مواد فلزی) و یا پلاستیک هادی (مخلوطی از رزین پلاستیک و پودر فلزی هادی) ساخته

شکل (۱۲-۴) دقت ریزبینی پتانسیومتر سیمی بستگی به فاصله بین دو مقطع متوالی سیم دارد.

شده اند نسبت به پتانسیومترهای سیمی دارای ریزولوشن بالاتری هستند ولی مانند آنها سیم پیچهای ضخیم ندارند. این نوع پتانسیومترها غالباً به عنوان پتانسیومترهای با ریزولوشن بی نهایت توصیف می شوند، چون عنصر مقاومتی دارای سطح صافی است که لغزنده روی آن به طور پیوسته و بدون قطع شدن جابه جا می شود، عملاً نمی توان ریزولوشن پتانسیومترهای فوق را اندازه گیری و مقدار دهی کرد چون انحراف e0 نسبت به خط مستقیم ایده آل دارای مقدارهایی تصادفی است (برخلاف استپهای خروجی قابل تکرار در مورد پتانسیومترهای سیمی). کمیتی را که معمولاً برای مشخص کردن میزان همواز بودن خروجی ذکر می شود نسبت دامنه ماکزیمم تغییرات اتفاقفی به eex با ۰٫۱% نسبت به مقدار نمونه است. مسئله دیگر در مورد پتانسیومترهای غیرسیمی آن است که این نوع پتانسیومترها نمی توانند جریانهای عبوری زیاد را تحمل کنند. این امر باعث کاهش حساسیت می شود.

راه حل مناسب، استفاده از پتانسیومترهایی است که به پتانسیومترهای هیبرید موسومند، که در این پتانسیومترها یک لایه از پلاستیک هادی روی سیم پیچ در راستای محور ریخته شده است. این پتانسیومترها مزیتهای هر دو نوع پتانسیومتر را در خود دارند اما قیمت آنها بالاتر است.
مسائل نویز الکتریکی در پتانسیومترها
عامل اصلی نویز در پتانسیومترها نوسانات ولتاژ به خاطر لرزش لغزندة پتانسیومتر، کثیف شدن اتصال لغزنده به پتانسیومتر و فرسوده شدن اتصال لغزنده و یا پتانسیومتر است. عبارت نویز غالباً در مورد اثرات ریزولوشن به کار می رود. نباید فراموش شود که در کاربردهای دینامیکی هر پتانسیومتری به دلیل اینرسی و اصطکاک قسمتهای متحرکش دارای اثرات بارگذاری مکانیکی

معینی است. این امر روی مشخصه حرکت پتانسیومتر تأثیر می گذارد. در پتانسیومتر سیمی ممکن است اتصال لغزنده در سرعتهای معینی وقتی از روی حلقه سیمهای پتانسیومتر می گذرد، دارای پرشهای و قطع و وصلهای تصادفی باشد و باعث قطع و وصل متناوب مدار پتانسیومتر شود. این پدیده مخصوصاً در مواردی که سرعت لغزنده و فاصله بین مراکز دو مقطع متوالی سیمها به گونه ای باشد که نیروی تحریکی برابر و یا نزدیک به فرکانس پایة لرزش بازوی فلزی به پتانسیومتر اعمال

شود مشکل ایجاد می کند. یکی از راه حلهای این مشکل که روش مناسبی نیز هست، استفاده از کنتاکت پتانسیومتر دو قسمتی و یا بیشتر است که هر قسمت دارای فرکانس تشدید مخصوص به خود باشد. بنابراین، اگر قسمتی از کنتاکت در فرکانس تشدید قرار گیرد، کنتاکت دیگر ساکن بوده و باعث اتصال خوب و مناسب خواهد شد.

ترانسدیوسرهای جابه جایی القایی
ترانسدیوسرهای القایی جابه جایی مشکل کنتاکت لغزنده پتانسیومتر را ندارند، چون اصلاً دارای کنتاکت لغزنده نیستنئ. ریزولوشن قابل دستیابی توسط یک ترانسفورمر دیفرانسیلی با کیفیت خوب برابر با ریزولوشن پتانسیومتر است. اما در بسیاری از کاربردهای سنسورهای القایی دارای ضعف مخصوص به خود هستند و آن اینکه این وسایل فقط توسط ولتاژ AC فعال می شوند و نمی توان آنها را توسط منابع تغذیه DC بدون تجهیزات اضافی به کار انداخت.

ترانسدیوسرهای رلوکتانس متغیر
برای روشن شدن این مطالب که ترانسدیوسرهای جابه جایی القایی چگونه کار می کنند بایستی مفهوم مدار مغناطیسی روشن شود. در یک مدار الکتریکی نیروی الکتروموتوری یا ولتاژ V باعث جاری شدن جریان I از طریق مقاومت R می شود. طبق قانون اهم ولتاژ چریان طبق رابطه زیر به هم مربوطند : V=IR (12-4)
در یک مدار مغناطیسی همانگونه که در شکل (۵ – ۱۲) نشان داده شده است، جریان I از یک سیم پیچ با n دور که روی یک هسته از جنس فرومغناطیس پیچیده شده عبور می کند. به وسیله شبیه سازی می توان سیم پیچ را به عنوان نیروی محرکه مغناطیسی فرض کرد (mmf) که عامل جاری شدن فلوی در مدار مغناطیسی می شود.

 

شکل (۱۲-۵) سنسور رلوکتانس متغیر
معادله مربوطه به شکل زیر است :
(۱۲-۵)   = رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی )  فلوی جریان مغناطیسی = نیروی محرکه مغناطیسی  رلوکتانس است که باعث می شود که مقاومت عبور جریان الکتریکی را در مدار محدود می کند، رلوکتانس نیز فلوی مغناطیسی را در مدار مغناطیسی محدود کند. در مثالی که در شکل (۱۲-۵ ) آمده است مقدار mmf برابر است با n  i، بنابراین در این شرایط ، فلوی  مدار مغناطیسی که توسط یک دور سیم پیچ جاری می شود از معادله زیر به دست می آید:
(۱۲-۶) (برحسب وبر)

شار مغناطیسی کل N که توسط n دور سیم پیچ در مدا مغناطیسی جاری می شود برابر است با :
(۱۲-۷)
خودالقایی L عبارت است از فلو یا شار کل مغناطیسی بازای واحد جریان [۱]، بنابراین:
) ۱۲-۸)
توسط معادله (۱۲-۸) با دانستن رلوکتانس مدار مغناطیسی می توانیم اندوکتانس عنصر حسگر یا سنسور را به دست آوریم. رلوکتانس  مدار مغناطیسی توسط رابطه زیر به دست می آید:
(۱۲-۹)
که در این رابطه  طول مسیر شار جریان ،  ضریب نفوذ پذیری نسبی مادة مدار مغناطیسی، ۰ ضریب نفوذپذیری در خلاء (۴۱۰-۷H/m=) سطح مقطع مسیر عبور شار جریان است.
b(12-5) دارای آرایشی شبیه به (۱۲-۵)a است، با این تفاوت که هستة مغناطیسی توسط یک شکاف هوایی با عرض متغیر به دو قسمت تقسیم شده است. رلوکتانس کل مدار در b(12-5) حاصل جمع رلوکتانسهای دو قسمت هسته مغناطیسی و رلوکتانس شکاف هواست

. ضریب نفوذپذیری نسبی هوا (air) مقداری نزدیک به واحد است، در حالی که ضریب نفوذ پذیری مربوط به هسته مغناطیسی نسبت به air هزاران بار بزرگ تر است. بنابراین، وجود شکاف هوا باعث افزایش قابل توجهی در رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی) مدار شده و این به نوبة خود باعث کاهش فلو (شار جریان مغناطیسی) و کاهش اندوکتانس می شود . در ساخت سنسور جابه جایی القایی از همین اثر استفاده می شود، چون تغییرات حتی کوچک د عرض شکاف هوایی

باعث تغییرات قابل اندازه گیری در اندوکتانس مدار می شود. در مهندسی، سنسورهای رلوکتانس متغیر غالباً جهت اندازه گیری سرعت چرخشی به کار می رود بدین صورت که سنسور مغناطیسی (۱۲-۱۰) در مجاورت دندانه های چرخ دندانه دار قرار می گیرد. حرکت دندانه های چرخ دوار که از جنس مادة فرو مغناطیسی است باعث تغییرات مشخص در تزویج بین سیم پیچها می شود. بعد از یک سری عملیات تقویت و فرآوری سیگنال مناسب ، سیگنال خروجی با فرکانس که به طور خطی با سرعت چرخشی متناسب است به دست می آید.

شکل (۱۲-۱۰) سنسور سرعت چرخشی به روش رلوکتانس متغیر
ترانسفورمورهای تزویج متغیر : LVDT,LDT
نوع ساده ای از ترانسدیوسر جابه جایی القایی که به ترانسدیوسر جابه جایی خطی (linear displacement) LDT (Transducer موسوم است تشکیل شده از یک جفت سیم پیچ (یا یک سیم پیچ با سر وسط) که روی یک استوانه تو خالی پیچیده شده است و باعث می شود هسته

الکترومغناطیسی همانگونه که در شکل a(12-11) نشان داده شده در طول محور سیم پیچ حرکت کند. طول هسته و سیم پیچها مساوی است. (d ) . با حرکت هسته درون استوانه، اندوکتانسها دو سیم پیچ تغییر می کند. مطابق شکل b (12-11) سیم پیچهای با اندوکتانس L1 و L2 در حالت نرمال، با یک جفت مقاومت متعادل کننده R تشکیل یک مدار پل می دهند و خروجی پل تعادل توسط یک تقویت کننده، تا حدودی تقویت می شود. اگر زمانی که هسته فریت دقیقاً در وسط

استوانه قرار گرفته و اندوکتانسهای هر دو سیم پیچ L بوده و طول هسته فریت و طول سیم پیچها d فرض شود، آنگاه جابه جایی هسته به اندازة d  باعث تغییرات اندوکتانس مخالف L  می شود. بنابراین در حالت ایده آل (d/2) / d = L/L  است و خروجی پل تعادل مربوط به آن دارای مقدار L / L ) (۲ / eex) خواهد بود.
مشکل استفاده از روش فوق این است که خروجی فقط در ناحیه محدودی از استوانه که هسته فریت به وسط استوانه نزدیک است خطی است. وسیله دیگری که اساس کار آن مانند روش فوق بوده و دارای جواب مناسب تری است به ترانسفورمور دیفرانسیلی (تفاضلی) خطی متغیر و یا

Lineart variable Diffevential ) LVDT (Transformer موسوم است. LVDT ترانسفورماتوری با یک سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه است که همانند شکل (۱۲-۱۲) روی یک استوانه به صورت سر و ته پیچیده شده اند. یک هسته الکترومغناطیسی (که غالباً از جنس میله فریتی است) داخل استوانه لوله مانند حرکت می کند و مقدار تزویج بین اولیه و ثانویه ها را تغییر می دهد. همانگونه که در شکل (۱۲-۱۲) مشاهده می شود این نوع ترانسدیوسر به هر دو صورت حرکت در امتداد مستقیم و هم حرکت دورانی قابل تهیه است.

برای سیم پیچ وسطی (اولیه) از ولتاژ ورودی تحریک AC استفده می شود، این ولتاژ AC باعث القای ولتاژ در سرهای سیم پیچهای (ثانویه) خروجی می شود.

شکل (۱۲-۱۱ ) استفاده از ترانسفورمر تفاضلی خطی به عنوان سنسور جابه جایی

شکل (۱۲-۱۲ ) ترانسفورماتور تفاضلی خطی متغیر
هنگامی که هسته فریت نسبت به فاصله دو سیم ثانویه به صورت متقارن قرار می گیرد ولتاژهای القایی در سیم پیچهای ثانویه دارای اندازه های مساوی هستند.
اگر فرض کنیم ولتاژ تحریک به صورت (۲ST) Sin eex=Vs در نظر گرفته شود، آنگاه ولتاژ خروجی e0 برابر با تفاضل ولتاژهای القا شدة V1-V2 توسط دو سیم پیچ ثانویه است.
چون سیم پیچهای ثانویه سه صورت سری و در جهت مخالف هم همانند شکل (۱۲-۱۲ ) پیچیده شده اند ولتاژ خروجی عبارت است از :
e0=V1-V2=Voutsin(2st+)

ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی یا همان LVDT معمولاً توسط ولتاژ سینوسی با دامنه تا حدود ۲۴v و فرکانس بین ۵۰hz تا ۲۵khz کار می کند. اگر سیم پیچهای ثانویه به صورت سری و در جهت مخالف هم پیچیده شده باشند نقطة نول (خنثی) را می توان با تنظیم هسته فریت در وسط لوله استوانه به دست آورد که در این نقطه e0=0 است. اندک تغییر مکان هسته فریت از نقطه نول باعث افزایش تزویج (اندوکتانس متقابل) بین سیم پیچ اولیه و یکی از ثانویه ها می شود، ضمن

اینکه تزویج بین اولیه و ثانویه بعدی کاهش می یابد. همانگونه که در شکل (۱۲-۱۳) مشاهده می شود، در فاصله قابل توجهی از جابه جایی هستی فریت در اطراف نقطه نول، دامنة e0 نسبت به تغییر مکان هسته، به صورت خطی تغییر می کند.
زمانی که هسته از نقطه مرکزی (نول) نیز فراتر رود، ولتاژ خروجی e0 نیز تغییر فازی به اندازة ۱۸۰ خواهد داشت. ترانسفورمر LVDT معمولاً در موقع فرآوری و بهینه سازی سیگنال جهت تبدیل سیگنال خروی به شکل DC مورد استفاده قرار می گیرد. تبدیل فوق به گونه ای است که نواحی A و B در شکل (۱۲-۱۳) از هم متمایز می شوند، یعنی اگر چه دامنه های دو نقطه مساوی هستند

ولی اختلاف فاز بین آنها ۱۸۰ است. یک دمدولاتور حساس به فاز برای تشخیص و آشکارسازی این اختلاف فاز استفاده می شود و در موقعی که تغییر مکان در ناحیه A انجام می شود خروجی منفی داشته و زمانی که هسته فریت در ناحیه B جابه جا می شود دارای خروجی مثبت خواهد بود. غالباً مدارات مربوط به فرآوری سیگنالهای فوق داخل محفظه LVDT قرار دارند و رفتار ترانسفورمر وارد جعبه ترانسفور می شود و سیگنال مکان DC از دستگاه خارج می شود.
در موقع عبور از نقاط انتهایی، رفتارهای غیر خطی مشاهده می شود که در شکل (۱۲-۱۳) با نقاط D و E نشان داده شده اند. گرایش غیرخطی برای ترانسفورمر نوعاً %۱  است

.
تراتسفورمرهای LVDT موجود از فاصله های ۰٫۲۵mm  تا ۵۰۰mm  را می پوشانند. فاصله فرکانسی مناسب برای ترانسفورمر محدود است و اینرسی قسمتهای متحرک ترانسفورمر عامل محدود کننده است. در بسیاری از موارد، قیمت LVDT استفاده از آن را غیرممکن می سازد. اما، LVDT ها در کارهای آزمایشگاهی و ساخت نمونه های اولیه تحقیقاتی مکرراً مورد استفاده قرار می گیرد.

ترانسدیوسرهای تغییر مکان جریان ادی
ترانسدیوسر جریان ادی از یک سنسور رلوکتانس متغیر تشکیل شده است. اما تفاوت عمده ای وجود دارد : سنسور رلوکتانس متغیر تنها ماده فرومغناطیس را تشخیص می دهد در صورتی که جسمی که توسط حسگر جریان ادی تشخیص داده می شود کافیست دارای خاصیت هدایت الکتریکی باشد. بنابراین، پرابهای جریان ادی نسبت به سنسورهای رلوکتانس متغیر دارای موارد کاربری بیشتری هستند.
یک پراب جریان ادی از یک جفت سیم پیچ تشکیل شده که ، تحت تأثیر مجاورت با هادی الکتریکی (هدف) است قرار می گیرد و سیم پیچ تعادل دوم که باعث کامل شدن پل تعادل و جبران سازی حرارتی می شود.

پل تعادل توسط یک سیگنال AC فرکانس بالا (معمولاً ۱MHz ) تحریک می شود و خطوط شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ فعال از سطح هدف که هادی الکتریسیته است می گذرد. جریانهای ادی عمدتاً در سطح هادی ایجاد می شوند و هرچه از آن دور می شود مقدار آن کاهش می یابد. این جریان در فاصله کوتاهی از زیر سطح، بسیار کوچک و قابل صرف نظر کردن است.
به محض این که هدف نسبت به پرآب حرکت کند، جریان ادی تغییر می کند، که امپدانس سیم پیچ فعال را تغییر می دهد.