اصول کاری یک سنسور فشار

اصول کاری یک سنسور فشار:
یک سنسور فشار براساس عکس العمل فیزیکی در مقابل فشار اعمالی کار می کند. این سنسور تغییرات نسبی حاصل را به صورت الکتریکی اندازه می گیرد و برای این هدف از پدیده هایی مانند تغییر در ظرفیت خازنی، تغییر در مقاومت اهمی یک استرین گیج یا کرنش سنج (Strain Gauge) و عنصر پیزوالکتریک استفاده می کند.

تمام این تغییرات متناسب با دامنه انحراف پس از اعمال فشار هستند. مولفه های مهمی مانند گستره اندازه گیری، تناسب با محیط، اندازه فیزیکی، توان مورد نیاز و نوع ملزومات اندازه گیری فشار می توانند راهنمای موثری برای مهندسان طراح باشند.

سنسور فشار خازنی:
سنسور فشار خازنی شامل یک خازن است که دارای یک صفحه صلب (Rigid) و یک دیافراگم انعطاف پذیر به عنوان الکترود است.

مساحت این الکترودها ثابت بوده، در نتیجه ظرفیت خازنی متناسب با فاصله بین الکترودها تغییر می کند. فشاری که باید اندازه گیری شود به سمت دیافراگم انعطاف پذیر اعمال می شود.

در نتیجه انحراف به وجود آمده باعث تغییر در ظرفیت خازنی می شود و می توان آن را توسط یک مدار الکتریکی اندازه گیری کرد. شکل زیر اصول کاری یک فشار سنج خازنی را نشان می دهد.

سنسورهای فشار استرین گیج:
در یک سنسور فشارسنج استرین گیج، فویل یا استرین گیج های سیلیکونی به صورت یک پل وتسون (Wheatstone bridge) چیده شده اند.

پل وتسون در واقع روشی برای تبدیل تغییر مقاومت به تغییر ولتاژ است. استرین گیج به نوعی از دیافراگم متصل شده است که هنگام اعمال فشار منحرف می شود. این انحراف موجب تغییر در مقاومت استرین گیج خواهد شد.

سپس سیگنال حاصل توسط مدار پل وتسون اندازه گیری، تقویت و پردازش می شود. توجه کنید که اهمیت این کار به این دلیل است که در کاربردهای عملی تغییر مقاومت بسیار ناچیز است و نویز و اغتشاش زیادی وجود دارد.

حال خروجی مناسب (جریان در ترانسمیتر و ولتاژ در ترانسدیوسر) تولید می شود. در شکل زیر، دیاگرام سنسور فشار استرین گیج نشان داده شده است.

سنسور های فشار پیزورزیستیو:
المان اندازه گیری پیزورزیستیو (Piezoresistive) نیز می تواند در قالب یک پل تعبیه شود. شکل زیر نشان می دهد که المان اندازه گیری در یک سنسور فشار نوع پل چگونه به یک دیافراگم منعطف متصل شده است تا مقاومت مطابق با دامنه انحراف دیافراگم تغییر کند.

خطی بودن سنسور به پایداری دیافراگم در طول بازه اندازه گیری و نیز خطی بودن استرین گیج و عناصر پیزورزیستیو بستگی دارد.

سنسورهای ممز (MEMS):
معمولا یک سنسور فشار پیزورزیستیو یا خازنی، مانند اکثر تجهیزات یا ماژول های الکترونیکی، به عنوان یک قطعه نسبتاً بزرگ آماده کار تصور می شود، اما همیشه این طور نیست.

یک مکانیزم اندازه گیری فشار خازنی یا پیزو را می توان روی سیلیکون نیز پیاده سازی کرد که به آن ها سیستم های میکرو الکترومکانیکی (Micro Electro Mechanical System) یا MEMS می گویند.

تجهیزات MEMS که نه تنها سنسورهای فشار بلکه سنسور حرکت و موقعیت و میکروفون های سیلیکونی را شامل می شوند، بسیار کوچک، پایدار و مقرون به صرفه هستند و در مواردی کاربرد دارند که فضا و هزینه محدود است؛ مانند موبایل ها و تجهیزات اینترنت اشیا (IOT).