پروژه سنسورهاي جابه جايي

فهرست مطالب :

– مقدمه

– انواع سنسورهاي جابه جايي :

۱- سنسورهاي مقاومتي (پتانسیومتري )
۲- سنسورهاي خازنی
۳- سنسورهاي القايي

۴- سنسورهاي LVDT و RVDT
5- سنسورهاي اپتیکی
۶- سنسورهاي پيزو الكتريك

مقدمه:
اندازه¬گيري كميتهاي مكانيكي توسط روشهاي الكتريكي دراواسط قرن۲۰ مورد توجه قرار گرفت. در آن زمان از تكنيكهاي تقويت¬كننده الكتريكي ساخته شده از لامپ خلا و بعدا نيمه-هاديها استفاده مي¬شد. امروزه كه در اويل قرن ۲۱ قرار داريم, اندازه¬گيري كميتهاي مكانيكي توسط روشهاي الكتريكي نه تنها جز لاينفك از ابزارات تحقيقي است بلكه درصنايع نيز بسيار مورد استفاده است.
در حقيقت توانايي بالايي كه ميكروپروسسورها در پردازش دارند, زماني مي تواند به منظور هدايت دقيق يك پروسه تحت كنترل مفيد واقع شود, كه سنسورهايي كه براي اندازه¬گيري كميتهاي فيزيكي و مكانيكي بكار برده مي¬شوند, بطور صحيحي عمل كرده و داراي دقت كافي باشند.

كميتهايي كه مي¬توانند بطور الكتريكي اندازه-گيري گردند, موقعيت، سرعت, نيرو, گشتاور, شتاب, كرنش, فشار, صدا و انتشار اكوستيك مي-باشند.
تعدادي از اثرهاي فيزيكي نيز ميتواند براي اندازه¬گيري كميتهاي اينچنين ازطريق تبديل به سيگنال الكتريكي مورد استفاده قرار گيرد, كه مهمترين انها عبارتند از:

۱٫ تغييرات مقاومت (در استرين گيج, پيزورزيستيو و پتانسيومتر)
۲٫ تغييرات خازن
۳٫ تغييرات سلف
۴٫ تغييرات پلاريزاسيون(اثر پيزوالكتريك)

۵٫ اثرهاي شيميايي
۶٫ اثرهاي نوري
فاصله طی شده:
اندازه گیری فاصله طی شده به صورت اندازه گیری یک فاصله مشخص از یک نقطه مرجع ثابت می باشد. از انواع سنسورها می توان برای این منظور استفاده کرد. این قسمت ما با سنسورهایی که برای اندازه گیری جابه جای استفاده می شوند ، سروکار داریم.
در حالت کلی برای حرکت روی فواصل بزرگ ، فاصله طی شده به وسیله مقایسه اندازه های تغییر مکان حساب می شوند.

اندازه گیری مستقیم:
سنسورها برای فواصل کوچک از مبدل های مقاومتی ، خازنی یا القایی استفاده می کنند.روش هایی که در این جا توصیف شده است برای فاصله های حوالی چندمیلی متر تا چند سانتی متر کاربرد دارد.
یک سیستم ساده اندازه گیری فاصله ، استفــاده از یک پتانسـیومتــر خطی است . ( شکل ۷-۲ )
شی محرک به لغزانک پتانسیومتر متصل است ، بنابراین هر موقعیت در طول محور با یک خروجی متفاوت از تماس لغزانک مرتبط خواهد بود ـ جریان متناوب یا جریان مستقیم می تواند به کار برود چون تنها دامنه به سنجش نیاز دارد .

خروجی می تواند روی یک وسیله اندازه گیری نمایش داده شود و به سیگنال های دیجیتال تبدیل شود. به منظور عمل کردن یک شمارنده یا در ترکیب با مدارهای سنجش سطح ولتاژ به کار رود تا زمانی که شی مورد نظر به مکان خاصی می رسد چند یملکرد آغاز شود.

 

مشکلات اصلی روش پتانسیومتر : دامنه حرکت به اندازه پتانسیومتر هایی که در دسترس است ، محدود شده است. ( اگر چه پتانسومترهایی ساخته شده با هدف خاص می توانند به کار روند ) و اصطکاک پتانسیومتـر یک مانع برای حرکت است. دقتی که می تواند به دست آید به خطی بودن سیم پیچی ساخته شده ، بستگی دارد و ا/۰ % با سهولت معقولانه ای باید دست یافتنی باشد.

شکل ۷-۲
تصویر ۷-۲- یــک سنسور جابه جـایی خطی ، به شکــل یک پتانسیومتــر خطی می باشد. مزیت این سنسور آن است که خروجی می تواند ولتاژ یکنواخت مستقیم یا غیر مستقیم باشد که مقدار آن با تغییر جابه جایی تغییر می کند.

V = E/R * Rx = E/R * Kx = m x يا در زاويه اي V = α/۲pi * E

شکل۸-۲

تصویر ۸-۲- سنسور صفحه ای خازنی در یکی از شکل هایش یک تغییر از موقعیت صفحه متحرک باعث ایجاد ولتاژ بین این صفحه و پولی مرکزی ترانس می شود که سبب تغییر فاز می شود و این تغییر فاز می تواند به یک خروجی از آشکارساز فاز حساس تجمیع شود .
یک آلتـر ناتیـو که گاهی بهتر است امــا اغلب کم تر عملی می باشد ، استفاده از یک سنسور خارجی است. به این صورت است که یک صفحه فلزی روی شی محرک قرار می گیرد و بین دو صفحه ثابت که از نظر الکتریکی مجزا هستند ، حرکت می کند.

نوع ترتیب مدار در شکل ۸-۲ توضیح داده شده است و نشان می دهد که صفحات ثابت به یک سیم پیچ مبدل متصل هستند و به طوری که سیگنال های AC در فاز مخالف می توانند به شمار بروند. سپس سیگنال در صفحه محرک یک فاز و یک دامنه خواهد داشت که به مکان آن بستگی دارد و این سیگنال می تواند به وسیله یک آشکارساز فار حساس ، پردازش شود تا یک ولتاژ DC ایجاد کند که با فاصله از یک صفحه ثابت متناسب است.
برای اینکه ظرفیت خازنی بین صفحات با فاصله صفحات نسبت عکس دارد. این روش فقط برای فواصل خیلی کوتاه عملی است و برای فواصل یک میلی متر یا کمتر سودمندتر می باشد. یک ترتیب فیزیکی متناوب صفحات در تصویر شماره ۲-۹ نشان داده شده است.

فاصله صفحات ثابت نسبت به صفحه محرک کوچک وثابت می باشد ، اما حرکت صفحه محرک مساحت را که برای حرکت صفحه محرک و یک صفحه ثابت معمول می باشد ، تغییر می دهد.
مزیت این روش این است که یک نشان دهنده ، می تواند بین صفحه محرک و صفحات ثابت استفاده شود. و فواصل قابل اندازه گیری می تواند بزرگتر باشد حساسیت به مساحت صفحات بیشتر از فاصله متغییر بستگی دارد.

تصوير شماره ۹/۲ شكل ديگر آشكارساز جابجايى سه خازن صفحه‌اى مشاهده مي كنيم. در اين صورت، فاصله‌گذارى بين صفحات ثابت است اما موضوع نسبى تيغه ميانى ديگرى را بپوشاند دو مىتواند متفاوت باشد. دامنه حركت براى اين نوع به طور قابل ملاحظه بزرگتر از براى نوع قبلى مىتواند باشد.

رایج ترین روشهای مورد استفاده برای اندازه گیری فاصله طی شده در مقیاس کوچک به القا بستگی دارد. اصل اساسی روش های القایی در شکل ۱۰-۲ نشان داده شده است. دو سیم پیچ ثابت در میان یک هسته فرومغناطیس قرار دارد می شود.

اگر سیم پیچ اول با یک سیگنال AC تغذیه شود ، دامنه و فاز یک سیگنال ازسیم پیچ دوم به مکان هسته فرومغناطیس ( که با سیم پیچ های ثابت مرتبط هستند ) بستگی دارد. دامنه سیگنال در برابر جابه جايي یک هسته رسم می شود ،…

تصوير شماره ۱۰/۲ اساسىترين سنسور جابجايى القايي. يك ولتاژ جريان متناوب به يك سيم‌پيچ منتقل مي شود و مكان هسته معلوم مىكند چه مقدار به وسيله سيم‌پيچ ديگرى گرفته‌خواهد شد.

تغییرآن در شکل ۱۱-۲ نشان داده شده است. اشکال این ترتیب ساده این است که یک دامنه معین غیر از حداکثر با بیش از یک فاصله می تواند مطابقت کند. به علاوه ، شکل نمودار نشان می دهد که حتی اگر رنج محدود باشد خروجی هرگز با فاصله به صورت خطی تناسب ندارد.

شکل ۱۲-۲ مبدل تفاضلی متغییر خطی یا LVDT حرکت هسته ، سطوح و فازهای ولتاژ در مقابل سیم پیچ های خارجی را تغییر می دهد و این ولتاژها می توانند به وسیله یک آشکارساز فاز حساس به جریان DCتبدیل شوند.

یک پیشرفت در سنسورها القایی ساده LVDT می باشد که اکنون رایج ترین سنسور مورد استفـاده برای جـابه جایی ها در رنج چندین میلی متر تا چندین سانتی متر می باشند که اصول آن به وسیله دیاگرام مدار در تصویر ۱۲-۲ نشان داده شده است.
E = e1-e2
دستگاه شامل سیم پیچ ثابت است که یکی از آن ها به یک منبع تغذیه AC متصل می شود. دو سیم پیچ دیگر به یک آشکارساز فاز حساس وصل می شوند. و یک هسته فرومغناطیس در راستای سیم پیچ حرکت می کند. خروجی آشکارساز با فاصله هسته از انتهای سیم پیچ ها متناسب خواهد بود.

خروجی آشکارساز فاز حساس به طور قابل قبولی با فاصله تناسب خطی دارد. مزیت های قابل ملاحظه ای وجود دارند که می توان آن ها را به شکل زیر با انواع دیگر سنسورهای فاصله مقایسه کرد :
۱٫ اصطکاک صفرمجازی ، از آن جایی که هسته نیازی به تماس با سیم پیچ ندارد بنابراین بدون پوشش می باشد.

۲٫ خروج خطی.
۳٫ وضوح بسیار بالا ، وابسته به آشکارساز.
۴٫ تفکیک الکتریکی خوب بین هسته و سیم پیچ ها.
۵٫ یک سیگنال بزرگ از سیم پیچ ها بنابراین به آشکارساز فاز حساس کمتر نیاز است یا اصلاَ به تقویت نیازی نیست.
۶٫ عدم وجود خطر صدمه دیدگی ، اگر حرکت هسته خیلی زیاد باشد.
۷٫ ساختار قوی که در مقابل شوک و ارتعاش مقاوم می باشد.
۸٫
LVDT های تجاری که می توانند استفاده شوند از منبع تغذیه AC یا DC استفـاده می کنند. نوع منبع DC از یک نوسانگر معکوس مینیاتوری ساخته شده برای فراهم کردن جریان AC برای سیم پیچ ها استفاده می کنند . عملکرد نوع AC همیشه عالی می باشد اما در بعضی سیستم ها به دلیل کمبود فضا منبع تغذیه AC مجزا نمی تواند قرار بگیرد در این گونه موارد از منبع DC استفاده می شود.

منبع AC در فرکانس بالا می باشد و نوع AC از LVDT به وسیله یک سیستم معکوس گر مجزا تغذیه می شود که به صورت یه کارت دو شاخه یا مدول لایه ضخیم هیبریدی می باشد LVDT های کورس کوتاه دارای یک رنج خطی سودمند حرکت شامل تنها چند میلی متر هستند ، ازmm 1+ تا mm 5 ± که به طراحی و ساختار آن بستگی دارد.

نوع LVDT کورس بلند می تـواند جــابه جایی دربـازه mm62 ± را اندازه گیری کند. اصولاَ یک فرکـانسKHZ 5 برای راه اندازی AC استفــاده می شود.
LVDT مینیاتوری با کورس mm 3 ± و نوع SM3 دارای بدنه به ابعاد تنها قطر ۹/۵۲ × طول ۳۵mm می باشند که غیر از بازوی رقاصک می باشد.

LVDT های با کورس بلندتر ، بزرگتر هستند ، برای کورس mm 25 ± و قطر بدنه mm 25 و طول بدنه mm 150 ( بدون بازو ) می باشد.
در RVDT e = k * α
به دلیل هفت مزیت فوق ، LVDT ها جایگزین اکثر انواع دیگر سنسورهای جابه جایی شده اند. برای فاصله های خیلی کم کرنش سنج می تواند خیلی دقیق باشد از تداخل سنج های لیزری به کار می روند و روش های راداری برای فواصل بیشتر استفاده می گردد.

یک مزیت ویژه تداخل سنج لیزری این است که خروجی به آسانی می تواند به شکل دیجیتال تبدیل شود که این امر بوسیله شمارش پیک های موج انجام می شود.

بیشتر سنسورها خروجی آنالوگ می دهند و جایی که یک سنســور خروجی دیجیتــال می دهد معمولاَ به این معنی است که یک مبدل آنالوگ به دیجیتال حذف شده است. تداخل سنج یکی از چند سنسوری است که دارای قابلیت فراهم سازی خروجی دیجیتال موثق می باشد.

و دیگری اینکودر دیجیتال خطی می باشد و از آن جا که روش های دیجیتال دارای اهمیت فزاینده در اندازه گیری و کنترل می باشند یک توضیح از این ابزار در این جا داده می شود. اینکدر دیجیتال خطی یک خروجی می دهد که یک عدد باینری است که با فاصله اینکودر از یک نقطه ثابت مربوط ، متناسب است.

اینکودر می تواند با یک شی محرک مربوط به آن ، ثابت شود . ساده ترین شکل اینکودر از این نوع ، اپتیکی می باشد و اصول آن در شکل ۱۳-۲ نشان داده شده است. یک نمونه از شکل نشان داده شده روی یک نوار شیشه ای چاپ می شود .
با استفاده از بلوک های بزرگ بیشتر از خطوط کاری به طور متناوب ، تیره و شفاف ، در یک گوشه ، نمونه نسبتاَ خوب است و اندازه هر قسمت ، وضوح دستگاه را نشان می دهد. کوچکترین تغییر فاصله که می تواند اندازه گیری شود به اندازه پهنای یک بلوک یا ستون می باشد. نوار بعدی دارای بلوک هایی ستون هایی با پهنای دو برابر اولی می باشد و دوباره به طور متناوب تیره و شفاف نوار بعدی دارای ستون هایی با پهنای دو برابر قبل می باشد و به همین در خروجی می باشد و همچنین تعداد افزایش مکان که می تواند ردیابی شود.

برای مثال اگر نمونه شامل چهار نوار باشد ، تعداد افزایش مکان =۱۶ ۲۴ می باشد.
برای هشت نوار تعداد مکان های تفکیک شدنی ۲۵۶ = ۲۸ و برای شانزده نوار تعداد برابر ۶۵۵۳۶ می باشد.

اینکودر خطی اپتیکی به وسیله یک سنسور برای هر نوار یا ترک خوانده می شود به طور معمول از یک نوار از فتوسل ها استفاده می شود به طوری که نور از یک منبع در طرف دیگر نوار اینکودر از میان قسمت های شفاعت عبور می کند و به فتوسل مناسب می رسد. بنابراین خوبی هر فتوسل بعد از تقویت ، سیگنال ۱ یا ۰ خواهد بود و مجموعه فتوسل ها یک عدد باینری تولید می کنند.

شکل ۱۳-۲ اینکودر اپتیکال باینری است. حرکت نوار شیشه ای بین یک منبع نورویک مجموعه از فتوسل ها باعث ایجاد خروجی از هر فتوسل می شود به طوری که یک عدد باینری ساخته می شود.
مشکل اصلی استفاده از کدهای باینری ۸-۴-۲-۲ با این سیستم آن است که خروجی غلط زمانی می تواند حاصل شود که مکان صفحه چنان است که قسمت ها با فتوسل ها روی هم قرار می گیرند. وضوح برابر با پهنای مشخص دستگاه می باشد.

اگر یک عدد هشت بیتی استفاده شود با هشت نوار وهشت فتوسل بنابراین دامنه عدد بین ۰ تا ۲۵۶ است و بیان کننده آن است که وضوح ۲۵۶/۱ کل طول اینکـودر می باشد.
برای نمونه اگر اینکودر ۱۰ cmطول دارد پس وضوح/۲۵۶ ۱۰ یا ۰/۳۹ است . دستگــاه می تواند به این صورت استفاده شود که منبع نور و فتوسل ها ثابت باشند و صفحه اینکودر حرکت کند ( حالت معمول ) یا این که صفحه اینکودر ثابت باشد و منبع نور یا فتوسل ها حرکت کنند.

فتوسل ها باید تقریباَ در تماس با صفحه اینکودر قرار بگیرند و با محافظ مناسب نور برای اطمینان از این که نور مزاحم پاسخ غلط نشود. یک مشکل که در رابطه با اینکودرهای اپتیکی خطی یا زاویه ای وجود دارد مناسب بودن سیستم رمزگذاری است . سیستم عدد معمول باینری اغلب با کد۸-۴-۲-۱ بیان می شود.

برای شناخت این واقعیت که محل هر رقم ، دو برابر یا نصف مقدار محل مجاور را بیان می کند این به این معنی است که تغییراتی در عدد می تواند شامل تغییراتی در بیش از یکی رقم ها شود. برای مثال تغییر از ۷ تا ۸ در عبارت باینری….
جدول ۲-۲ مقیاس خاکستری که به طور گسترده برای اینکودرهای اپتیکی و برای مقاصد صنعتی استفاده می شود.

برخلاف ۸-۴-۲-۱ باینری ، کد خاکستری تنها به وسیله یک رقم که برای تغییر هر قسمت است ، تغییر می کند. بنابراین اشتباهاتی که به علت قرارگیری صفحــه باعث می شوند تا یک قسمت در بیش از یک فتوسل اثر کند ناچیز است. تغییر از ۰۲۲۲ به ۲۰۰۰ می باشد ، هر کدام از چهار رقم به سادگی تغییر می کنند تا اینکه نشان دهنده مقدار تنها یک بخش باشند.
بــه همین دلیل کد خاکستری ( از جدول ۲-۲ بیان شده است ) برای وسایلی مثل اینکودرهای اپتیکی در وسعت بیشتری استفاده می شوند.
در یک مقیاس کد خاکستری تغییر در یک بخش تنها یک رقم از عدد باینری را تحت تأثیر قرار می دهد. بنابراین اشتباهاتی که به دلیل اختلاف بخش های شیشه رمزگذاری یا به وسیله موقعیت های نیمه راه بین بخش ها ایجاد می شوند به شدت کاهش می یابد.
IC هایی وجود دارند که کد خاکستری را به۸-۴-۲-۱ باینری معمول تبدیل می کنند بنابراین در صورت نیاز می توان محاسبات را روی اعداد انجام داد.

برای برخی از کاربردها شاید تبدیل لازم نباشد.
سیستم های اینکودر دیجیتال خطی مجموعه ای سیگنال های عدد باینری را مستقیماَ فراهم می کند اما از آن جا که لازم است یک صفحه خیلی دقیق چاپ شود و یک آشکارساز برای هر رقم پاییزی استفاده شود ، روش های تبدیل مستقیم اغلب کمتر به کار رفته اند.

یک صفحه فقط از یک مجموعه منفرد از فاصله های مساوی نشانه گذاری شده استفاده می کند که می تواند در ارتباط با یک سیستم پيک آپ دوفاز به منظور فراهم سازی سیگنــال های پالس مورد استفاده قرار گیرد که از مرحله ای کردن می توان برای نشان دادن جهت استفاده کرد در حالی که تعداد آن نشان دهنده فاصله جابه جا شده می باشد یک سیستم از این نوع فقط یک سیگنال خروجی به شمارنده دارد ( با یک اتصال دوم اگر جهت یابد مشخص می شود ) و سپس شمارنده به اعداد باینری تبدیـل می شود.

روش اپتیکی دیگر به ویژه برای جــابه جــایی های کوچک استفــاده می گردد. مخصوصاَ دامنه نوسان روش چارچوب اپتیکی می باشد که اصول آن در شکل ۱۴-۲ بیان شده است . هر چارچوب شامل صفحه پلاستیکی یا شیشه ای است که روی خطوط مناسب قرار می گیرند.

یک چارچوب ثابت است و دیگری قسمتی از شکل است که حرکت آن باید دریافت شود. همان طوری که شی حرکت می کند ، مقدار نوری که از میان دو چارچوب عبور می کند تغییر خواهد کرد.

در حالت ایده آل شکل یک موج سینوسی برای حرکت از یک دامنه می باشد با فاصله بین خطوط چارچوب برابر است.

شکل ۱۴-۲ آشکارساز موير فرينگه . هر دو صفحه دارای شکل خطوط نازک کلیان می باشد که روی آن ها چاپ شده است. زمانی که یک صفحه به سمت صفحه دیگر حرکت می کند مقدار نور عبوری تغییر می کند که به مکان های مربوط به
خطوط و مناطق در دو صفحه بستگی دارد. یک فتوسل می تواند این خروجی را دریافت کند و پیک ها را بشمارد تا جابه جایی کل به دست آید.

این تغییر دامنه نور که نامیده می شود ، می تواند به وسیله یک فتوسل دریافت شود و برای ایجاد یک خروجی الکتریکی استفاده گردد.
جابه جایی های بزرگ بر حسب تعداد موج های کامل خروجی از فتوسل و جابه جایی های کوچک بر حسب دامنه سیگنال خوانده می شوند.
پيزو الكتريك :
اساسا دو نوع سنسور داريم: فعال و غير فعال.
سنسور فعال نياز به هيچگونه تغذيه خارجي ندارد. سنسورهاي پيزوالكتريك از نوع فعال مي باشند. براي اينكه بار الكتريكي توسط خود عنصر(كه ماده پيزو الكتريك ميباشد) در پاسخ به تغييرات مكانيكي فراهم مي¬گردد و اين تغيير مي تواند توسط يك الكترومتر با لايه نازكي از طلا كه نياز به هيچ منبع تغذيه خارجي ندارد اندازه¬گيري گردد اكثر سنسورهاي ديگر غيرفعالند و در اثر تغييرات فيزيكي صرفا خصوصياتي مانند مقاومت و سلف وخازن آنها تغيير مينمايد. اين خصوصيات خود بايد با اعمال يك منبع تغذيه خارجي و بكارگيري تكنيكهايي اندازه¬گيري شوند.

در اين مقاله ما مختصرا به معرفي اثر پيزوالكتريك مي پردازيم. اما قبل از هر چيز مزاياي سنسورهاي پيزوالكتريك را بر مي¬شمريم و همچنين مقايسه¬اي خواهيم داشت بين اين سنسورها و سنسورهاي مقاومتي و خازني, سلفي و پيزورزيستيو.
مزاياي سنسورهاي پيزوالكتريك:
• امكان اندازه¬گيري دررنجهاي ميكرومتر
• فركانس كاري بالا(حتي بالاتر از KH 500(

• رنج اندازه¬گيري وسيع
• خطي بودن بالا كه مستقل ازخروجي است.
• رنج عملكرد دمايي بالا
• عدم حساسيت به ميدانهاي الكتريكي

مي توان گفت تنها عيب اين سنسورها در عدم توانايي براي اندازه¬گيريهاي استاتيكي در تناوب¬هاي طولاني از زمان مي باشد دليل اين امر نيز از آنجايي ناشي مي¬شود كه هيچ ماده¬اي عايق كامل نيست و جريانهاي نشتي مانع از اندازه¬گيريهاي صحيح با استفاده از سنسورهاي پيزو الكتريك مي¬باشد.