فشار به عنوان نیروی مورد نیاز برای جلوگیری از انبساط سیال تعریف می‌شود که معمولاً به صورت نیرو در واحد سطح نمایش داده می شود. تاریخچه اندازه گیری فشار به قرن شانزدهم میلادی باز می‌گردد، زمانی که گالیله دستگاهی برای پمپاژ آب از رودخانه برای اهداف آبیاری اختراع کرد. در سال 1644، فیزیکدان ایتالیایی، اوانجلیستا توریچلی، لوله‌ای را با جیوه پر کرد و آن را به صورت عمودی با انتهای باز در حوضچه‌ای از جیوه قرار داد.
ستون جیوه همیشه به حدود 760 میلی متر کاهش می‌یافت و فضایی خالی بالاتر از سطح خود باقی می‌گذاشت. توریچلی علت این پدیده را به نیرویی در سطح زمین نسبت داد، بدون اینکه بداند از کجا آمده است. او همچنین به این نتیجه رسید که فضای بالای لوله خالی است و چیزی در آن وجود ندارد و آن را "خلاء" نامید.
در سال 1656، Offo von Guericke پمپ هوای جدیدی را برای تخلیه حجم‌های بزرگ‌تر توسعه داد و با تخلیه هوا بین دو نیمکره فلزی که با گریس به یکدیگر متصل شده بودند، آزمایشی چشمگیر در ماگدبورگ انجام داد. هشت اسب به هر نیمکره که هوای بینشان تخلیه شده بودند، متصل شدند، اما به اندازه کافی قوی نبودند که آنها را از هم جدا کنند.
اولین سنسورهای فشار در اواسط قرن 19 توسعه یافتند و بر اساس اصول مکانیکی استوار بودند. اولین سنسور فشار الکترونیکی در سال 1964 توسط هانیول اختراع شد. از آن زمان، به صورت انفجاری انواع مختلف سنسورهای فشار توسعه پیدا کرده و برای استفاده در دسترس قرار گرفته‌اند. امروزه شما قادر به خرید سنسور فشار با حداقل 50 تکنولوژی هستید، که هر کدام دارای طراحی، نوع عملکرد، کارایی، هزینه و مدل خروجی متفاوت هستند.
سنسور فشار چیست؟
سنسور فشار دستگاهی است که معمولاً با آن فشار گازها یا مایعات را حس کرده و اندازه گیری می‌کنند. سنسورهای فشار اغلب در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود و به عنوان یک مبدل عمل می کند، که سیگنال دریافتی را به عنوان تابعی از فشار در قالب یک سیگنال الکتریکی تکرار می‌کند. سنسورهای فشار با نام‌های مبدل فشار(pressure transducers)، ترانسمیتر فشار(pressure transmitters)، فرستنده فشار(pressure senders)، نشانگر فشار(pressure indicators)، پیزومتر و مانومتر نیز نامیده می‌شوند.
اصطلاحات اندازه گیری فشار
قبل از اینکه به انواع مختلف سنسورهای فشار بپردازیم، اصطلاحات کلیدی مربوط به سنسورهای فشار وجود دارد که باید درباره آنها بدانید.
فشار گیج(Gauge Pressure): اندازه گیری فشار نسبت به فشار محیط
فشار مطلق(Absolute Pressure): اندازه گیری نسبت به خلاء خالص فضا – این پارامتر در هنگام اندازه گیری تغییرات فشار ارتفاع مهم است.
فشار دیفرانسیلی(Differential Pressure): اختلاف فشار بین دو مقدار فشار اعمال شده
فشار خلاء(Vacuum Pressure): اندازه گیری فشاری که کمتر از فشار اتمسفر اطراف است
انواع سنسور فشار چیست؟
انواع مختلفی از سنسورهای فشار موجود هستند که به طور مشابه عمل می‌کنند، اما برای انجام ترجمه بین فشار و سیگنال خروجی به فناوری‌های زیربنایی متفاوتی متکی هستند. در اینجا برخی از رایج ترین انواع سنسور فشار آورده شده است:
سنسور فشار سنج آنروئیدی(Aneroid barometer pressure sensors)
سنسورهای فشار سنج آنروئیدی ابزارهای کاملاً مکانیکی برای اندازه گیری فشار هستند. این نوع سنسورهای فشار از یک محفظه فلزی توخالی و هوابند با سطحی انعطاف پذیر و شبیه کپسول تشکیل شده اند. تغییرات جوی باعث فشرده شدن و انبساط کپسول می‌شود و باعث تغییر شکل آن در پاسخ به فشار اطراف می‌شود. تغییر شکل را می‌توان اندازه‌گیری کرد و به صفحه‌ای مدرج جفت کرد که تغییر فشار را به یک مقدار فشار متناظر تبدیل می‌کند. این سنسورها فشرده و بسیار بادوام هستند و معمولاً برای اندازه گیری فشار اتمسفر در هواپیما و کاربردهای محیطی استفاده می شوند.
سنسورهای فشار مانومتر(Manometer pressure sensors)
سنسورهای فشار مانومتر، دارای یک لوله شیشه‌ای هستند که در درون آن یک سیال قرار دارد. این نوع از سنسور فشار از ساختار طراحی ساده پیروی می‌کنند، با این حال، دقت بیشتری نسبت به سنسور فشارسنج آنروئیدی دارند، که چشمگیر است، زیرا یکی از اولین دستگاه‌هایی بود که برای اندازه‌گیری فشار اختراع شد.
حرکت لوله پر از مایع، اختلاف فشار بین دو سطح را مقایسه می‌کند. رایج ترین سنسور مانومتر U شکل است. به یک طرف لوله شیشه ای فشار وارد می‌شود و مایع داخل آن جابه جا می‌شود که باعث افت سطح سیال در یک انتهای لوله و افزایش در انتهای دیگر می شود. اختلاف ارتفاع بین دو سر لوله نشان دهنده سطح فشار است و از این طریق اندازه گیری انجام می‌شود. آنها معمولاً برای کالیبراسیون تجهیزات در کاربردهای آزمایشگاهی استفاده می‌شوند. با این حال، مانومترها نرخ پاسخ نسبتاً آهسته و محدوده فشار محدودی دارند، بنابراین برای کاربردهای سنجش فشار دینامیکی کافی نیستند.
سنسورهای فشار لوله بوردون
سنسورهای فشار لوله بوردون مانند فشارسنج‌های آنروید عمل می‌کنند، اما به جای یک کپسول فلزی توخالی و هوابند، یک عنصر حسگر مارپیچ یا C شکل دارند. آنها دستگاه‌های اندازه‌گیری مکانیکی نوآورانه‌ای هستند که برای نشان دادن فشار از حرکت فیزیکی استفاده می‌کنند. یک سر لوله بسته است، در حالی که انتهای دیگر در معرض محیط اطراف قرار دارد.
با اعمال فشار بیشتر به تیوب مارپیچ، مقطع بیضوی لوله شروع به صاف شدن می‌کند. لوله بوردون تا زمانی که فشار سیال با مقاومت الاستیک لوله مطابقت داشته باشد به صاف شدن ادامه می‌دهد. این حرکت فیزیکی، نشانگر را در امتداد یک صفحه مدرج حرکت می‌دهد تا فشار را نشان دهد.
لوله‌های بوردون به دلیل سادگی و چقرمگی معمولا به عنوان سنسور فشار سنج و سنسور دیفرانسیل استفاده می‌شوند. آنها همچنین ارزان و در عین حال بادوام هستند و دقت بالایی را در کاربردهای فشار بالا ارائه می‌دهند.
نقطه ضعف استفاده از سنسور فشار لوله بوردون، مستعد بودن آنها در برابر ضربه و لرزش است، زیرا آنها کاملاً مکانیکی هستند. بنابراین، استفاده از آنها در کاربردهای کم فشار که نیاز به اندازه‌گیری بسیار دقیق دارند، توصیه نمی‌شود.
سنسورهای فشار خلاء (Vacuum Pressure Sensors)
سنسورهای فشار فوق عموماً با اندازه‌گیری نیروی اعمال شده به دستگاه مکانیکی کار می‌کنند، اما زمانی که فشار به زیر سطح اتمسفر می‌رسد، روش‌های مکانیکی بسیار پیچیده می‌شوند و باید از سنسورهای فشاری استفاده شود که اثرات روی ماده را مشاهده و اندازه‌گیری می‌کنند.
اینجاست که سنسورهای فشار خلاء وارد می شوند. سنسور پیرانی (که توسط مارچلو پیرانی در سال 1906 اختراع شد) رایج ترین و شناخته شده ترین حسگر مورد استفاده برای اندازه گیری محدوده فشار خلاء کم است.
این نوع سنسورهای فشار، مقاومت یک رشته حسگر گرم شده (معمولاً از سیم تنگستن، نیکل یا پلاتین نازک ساخته شده) در داخل محفظه گیج اندازه گیری می‌کنند. هنگامی که محفظه گیج در معرض فشار خلاء اطراف قرار می‌گیرد، مولکول‌های گاز با سیم رشته برخورد می‌کنند و گرما از سیم حسگر منتقل می‌شود. سیم به یک مدار الکتریکی متصل می‌شود که پس از کالیبراسیون ، فشار را از آن می‌خوانند.
اساس عملکرد این سنسورها بر اندازه‌گیری مقاومت رشته حامل جریان بنا شده، در فشارهای نزدیک به اتمسفر به دلیل وجود مولکول‌های هوا و برخورد آنها به رشته، تبادل دمایی بیشتری انجام می‌گیرد و رشته خنک می‌گردد، اما با کم شدن فشار و کم شدن مولکول‌های هوا، تبادل دمایی کمتر شده و رشته داغ‌تر می‌شود.
سنسورهای فشار سیل شده(Sealed pressure sensors)
سنسورهای فشار سیل شده معمولاً برای اندازه گیری فشار اتمسفر در سطح دریا در وسایل نقلیه شناور برای تعیین عمق با اندازه گیری و مقایسه فشار محیط در کنار فشار اتمسفر موجود در دستگاه مهر و موم شده استفاده می‌شوند. محفظه از زمان مهر و موم شدن، فشار هوا یکسان را حفظ می‌کند، که به فشار مرجع داخلی دائمی سنسور فشار تبدیل می شود. سنسورهای فشار مهر و موم شده از دیافراگم برای اندازه گیری فشار استفاده می‌کنند. هنگام اعمال فشار، دیافراگم منحرف می‌شود و سپس به سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک(Piezoelectric sensors)
سنسورهای پیزوالکتریک از کریستال‌هایی استفاده می‌کنند که در اثر فشار مکانیکی بار الکتریکی تولید می‌کنند. هنگامی که نیرویی به یک ماده پیزوالکتریک وارد می‌شود، بار الکتریکی در سطح کریستال ایجاد می‌شود. این را می‌توان به عنوان یک ولتاژ متناسب با فشار اندازه گیری کرد. همچنین یک اثر پیزوالکتریک معکوس وجود دارد که در آن اعمال ولتاژ به ماده باعث تغییر شکل آن می‌شود.
یک نیروی استاتیک معین منجر به بار متناظر در سراسر سنسور می‌شود. با این حال، این بار الکتریکی به مرور زمان به دلیل عایق ناقص، مقاومت داخلی سنسور ، قطعات الکترونیکی متصل و غیره نشت می‌کند. در نتیجه سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری فشار استاتیک مناسب نیستند.
سیگنال خروجی حتی در حضور فشار ثابت به تدریج به صفر می‌رسد. با این حال، آنها به تغییرات دینامیکی فشار در طیف گسترده ای از فرکانس‌ها و فشارها حساس هستند. این حساسیت دینامیکی به این معنی است که آنها در اندازه گیری تغییرات کوچک فشار، حتی در یک محیط بسیار پرفشار، مناسب هستند.
سنسورهای استرین گیج(strain gauge)
اصل کار استرین گیج یا کرنش سنج بر اساس مفهوم تغییر مقاومت الکتریکی ناشی از کرنش مکانیکی است. کرنش سنج از یک سیم یا فویل ریز تشکیل شده است که معمولاً از یک ماده بسیار رسانا مانند مس یا کنستانتان ساخته می‌شود که به یک ماده پشتی انعطاف پذیر متصل می‌شود. هنگامی که یک کرنش مکانیکی به کرنش سنج اعمال می‌شود، سیم یا فویل دچار تغییر شکل می‌شود و در نتیجه طول و سطح مقطع آن تغییر می‌کند. این تغییر در ابعاد باعث تغییر در مقاومت متناظر الکتریکی سیم یا فویل می شود.
مهمترین نکات برای انتخاب بهترین سنسور فشار چیست
هنگام تصمیم گیری در مورد اینکه کدام نوع سنسور فشار با نیازهای شما مطابقت دارد، باید نکات زیر را در نظر بگیرید:
· نوع سنسور - این نکته اصلی در هنگام انتخاب سنسور فشار مناسب برای نیازهای کاربردی شما است
· محدوده فشار عملیاتی و حداکثر فشار کاری
· زمان مورد نیاز برای آماده به کار شدن سنسور
· شرایط فرآیندی که قرار است سنسور در آن کار کند
· نوع سیگنال خروجی (مکانیکی یا الکترونیکی)
· مدل سیگنال خروجی (آنالوگ یا دیجیتال و یا ولتاژی یا جریانی)
· دقت سنسور فشار
· رزولوشن سنسور فشار
· دریفت
· نوع و مقدار ولتاژ تغذیه
· محدوده دمای عملیاتی
معرفی سنسورهای فشار شرکت CFsensor
CFsensor یک شرکت فناوری پیشرفته است که در زمینه طراحی و ساخت حسگرهای با تکنولوژی MEMS تخصص دارد. این شرکت طیف گسترده‌ای از سنسورها از جمله سنسورهای فشار، ترنسمیترهای فشار، سنسورهای خودرو، سنسورهای جریان، حسگرهای گاز و سنسورهای حرارتی مادون قرمز را تولید می‌کنند.
سنسورهای فشار این شرکت دارای 4 دسته بندی اصلی است.
سنسورهای فشار آنالوگ
این سنسورها فشار را به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل می‌کند. سنسور فشار آنالوگ معمولاً از یک عنصر حساس به فشار مانند دیافراگم تشکیل شده است که به تغییرات فشار پاسخ می‌دهد و یک مبدل که جابجایی فیزیکی عنصر را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. خروجی الکتریکی سنسور معمولاً یک ولتاژ یا جریان پیوسته متناسب با فشار اعمال شده است. سنسور فشار آنالوگ معمولاً در کاربردهای صنعتی و خودرویی و همچنین تجهیزات پزشکی و علمی استفاده می شود.
سنسور فشار I2C
اینها سنسورهایی هستند که فشار را اندازه گیری می‌کنند و داده‌های اندازه گیری را با استفاده از پروتکل ارتباطی I2C به یک میکروکنترلر یا دستگاه دیگر ارسال می‌کند. این سنسورها معمولاً دارای یک عنصر حساس به فشار مانند دیافراگم هستند که تحت فشار تغییر شکل می‌دهند و سپس به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شوند که یک میکروکنترلر می‌تواند آن را بخواند. سنسورهای فشار I2C این شرکت در انواع فشار مطلق و نسبی تولید و به بازار ارائه می‌شود، همچنین این سنسورها در محدوده‌ها و سطوح دقت مختلف متناسب با کاربردهای مختلف موجود هستند.
آنها معمولا در خودروها و دستگاه‌های صنعتی و برنامه‌های کاربردی پزشکی و دستگاه‌های الکترونیک مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند و پوشیدنی‌ها استفاده می‌شوند.
سنسورهای فشار آنالوگ با خروجی میلی ولتی
این سنسورها مشابه دسته اول هستند، ولی برای استفاده از آنها باید از مدارات جانبی الکترونیک بهره برد.
ترنسمیترهای فشار
ترنسمیترهای فشار وسیله‌ای هستند که برای اندازه‌گیری فشار مایعات و گازها استفاده می‌شود. ترنسمیترهای فشار نوعی سنسور فشار الکترونیکی هستند که سیگنال فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند و از یک عنصر حسگر، مدار تقویت کننده و خروجی دیجیتال یا آنالوگ تشکیل شده است.
عنصر سنجش، فشار را حس کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. سپس این سیگنال قبل از ارسال به خروجی توسط مدار تقویت کننده تقویت می‌شود. ترنسمیترهای فشار معمولا دارای خروجی استاندارد خطی شده مانند 0-5 ولت و یا 4-20 میلی آمپر هستند. ترنسمیترهای فشار در طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله کنترل فرآیندهای صنعتی و نظارت بر عملکرد سیستم های خودرو، تجهیزات پزشکی، ایستگاه‌های هواشناسی و غیره استفاده می شود. ترانسمیترها دارای کلاس IP هستند. آنها می‌توانند هم فشار مطلق و هم فشار گیج را اندازه‌گیری کنند و در محدوده‌ها و سطوح دقت مختلف متناسب با کاربردهای مختلف موجود هستند.
کلام آخر
سنسورهای فشار ابزار بسیار کارآمدی هستند که در بسیاری از وسایل الکترونیکی اطراف ما استفاده شده‌اند. شما برای خرید سنسور فشار مناسب کاربرد خود باید به نیازهایی پروژه خود دقت کنید و در هنگام خرید سنسور فشار باید تمامی مشخصات آن را از روی برگه مشخصات مطالعه کرده و با نیازهای خود مطابقت دهید.
برای خرید قطعات الکترونیک از لیون الکترونیک می‌توانید به وبسایت ما سر بزنید. همچنین در این لینک می‌توانید انواع سنسورهای فشار موجود در لیون الکترونیک را مشاهده کنید.
نظرات کاربران