اولین گیج های فشار کاملاً مکانیکی بودند. آنها از مکانیزم هایی مانند دیافراگم یا “لوله بوردون” استفاده می کردند که تحت فشار شکل آن ها تغییر می کرد و سبب می شد یک نشانگر بر روی صفحه عقربه ایی حرکت کند.
از آن زمان تکنیک های مختلفی برای تبدیل جابجایی های مکانیکی به سیگنال های الکتریکی ایجاد شده است. در اینجا مزایای نسبی سنسورهای فشار پیزومقاومتی، خازنی و پیزوالکتریک را بررسی خواهیم کرد.
اصول کاری
• در یک سنسور فشار استرین گیج پیزومقاومتی، تغییر مقاومت الکتریکی یک یا چند مقاومت نصب شده بر روی دیافراگم اندازه گیری می شود. تغییر مقاومت مستقیماً با کشش ایجاد شده توسط فشار روی دیافراگم متناسب است. مقاومت ها در یک مدار پل Wheatstone متصل می شوند، که روشی بسیار حساس برای تبدیل تغییرات کوچک به یک ولتاژ خروجی است.
• سنسورهای فشار خازنی تغییرات در ظرفیت یک خازن الکتریکی ناشی از حرکت یک دیافراگم را اندازه گیری می کنند. یک خازن از دو صفحه رسانای موازی که توسط یک فاصله کوچک از هم جدا شده اند تشکیل شده است. یکی از صفحات به عنوان دیافراگمی عمل می کند که در اثر فشار جابجا می شود و ظرفیت خازن را تغییر می دهد. تغییرات فرکانس رزونانس یک مدار (ناشی از تغییر ظرفیت) قابل اندازه گیری است. همچنین در یک سیستم دیجیتال می توان زمان لازم برای شارژ و دشارژ خازن را به یک سری پالس تبدیل نمود.
• سنسورهای فشار پیزوالکتریک از موادی مانند کریستال های کوارتز یا سرامیک مخصوص فرموله شده استفاده می کنند که هنگام اعمال فشار، یک شارژ الکتریکی را در سراسر سطح ایجاد می کنند. یک تقویت کننده این شارژ را به یک ولتاژ خروجی متناسب با فشار تبدیل می کند. به عبارت دیگر یک نیروی اعمال شده منجر به ایجاد یک شارژ الکتریکی متقابل در طول یک عنصر حسگر می شود. با این حال، این شارژ الکتریکی به مرور زمان از بین می رود و به این معنی که نمی توان از سنسور ها برای اندازه گیری فشار استاتیک استفاده نمود.
هر سه سنسور را می توان با استفاده از تکنیک های ساخت سیلیکون کوچک سازی (مینیاتوری سازی) کرد و به عنوان سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) با تجهیزات الکترونیکی ترکیب نمود. این امر اجازه می دهد تا عناصر حسگر بسیار کوچک ساخته شده و با یک سری از لوازم الکترونیکی به منظور بهینه سازی (Signal conditioning) و خوانش سیگنال ترکیب شوند.
از سنسور های فشار پیزوالکتریکی (Piezoresistive) و خازنی (Capacitive) می توان برای اندازه گیری فشارهای مطلق (Absolute) ، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) یا تفاضلی Differential)) استفاده نمود.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک نسبت به تغییرات فشار حساس هستند بنابراین خروجی معمولاً به عنوان یک اندازه گیری فشار نسبی (Relative) در نظر گرفته می شود که به حالت اولیه مواد پیزوالکتریک مربوط می شود.
از سنسور های فشار پیزوالکتریکی (Piezoresistive) و خازنی (Capacitive) می توان برای اندازه گیری فشارهای مطلق (Absolute) ، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) یا تفاضلی Differential)) استفاده نمود.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک نسبت به تغییرات فشار حساس هستند بنابراین خروجی معمولاً به عنوان یک اندازه گیری فشار نسبی (Relative) در نظر گرفته می شود که به حالت اولیه مواد پیزوالکتریک مربوط می شود.
مزایا و معایب:
1. سنسورهای فشار استرین گیج پیزومقاومتی (Piezoresistive strain gauge sensors)
- این دسته از سنسورها اولین و پرکاربردترین نوع سنسورهای فشار هستند.
- ساختار ساده به معنی کم هزینه بودن و دوام بالای آنهاست. این سنسورها استحکام خوبی دارند و در برابر شوک، لرزش و تغییرات فشار دینامیک مقاوم هستند.
- مدارهای خوانش آن بسیار ساده هستند و اندازه گیری فشار با وضوح بالا را امکان پذیر می کنند.
- تغییرات خروجی با فشار به صورت خطی است و زمان پاسخ دهی به طور معمول زیر یک میلی ثانیه است.
- آنها می توانند برای طیف گسترده ای از اندازه گیری های فشار، از 3 psi تا حدود 20000 psi (kPa 21 تاMPa 150) استفاده شوند. خروجی نیز با گذشت زمان پایدار می ماند.
- مقاومت ها را می توان به دیافراگم متصل نمود. این یک روش استاندارد است که مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته، اما برای سیال های چسبناک در دمای بالا و فشار بیش از حد می تواند مشکل ساز باشد.
- از طرف دیگر، مقاومت های فیلم نازک (Thin film resistors) می توانند بطور مستقیم بر روی دیافراگم ساخته شوند. این دسته از سنسور ها می توانند در دماهای بالاتر کار کنند و برای استفاده در محیط های خشن مناسب تر هستند.
- نقطه ضعف اصلی این سنسور ها این است که به تغذیه نیازمندند . این باعث می شود آنها برای سیستم های کم مصرف یا دارای باطری مناسب نباشند. کاهش اندازه سنسور باعث کاهش مقاومت و افزایش توان مصرفی می شود.
- همچنین در مقیاس بندی محدودیت هایی وجود دارد زیرا متعادل کردن فشار باعث کاهش حساسیت سنسور می شود. با این حال ، سنسورهای بسیار کوچک می توانند به عنوان تجهیزات MEMS ساخته شوند.
- خروجی سنسور وابسته به دما است. این ویژگی می تواند برای برنامه هایی مانند اندازه گیری فشار تایر در جایی که تغییرات درجه حرارت زیادی در چرخه عملیاتی وجود دارد، یک عیب بزرگ باشد.
- استرین گیج های سیلیکونی بسیار حساس هستند و می توانند حداقل تا فشار 2 Kpa را اندازه گیری کنند.
- درستی تجهیزات MEMS با نشت جریان کاهش می یابد. با استفاده از فن آوری سیلیکون روی عایق SoI می توان این نقص را کاهش داد، اما این فناوری باعث افزایش هزینه ها می شود.
2. سنسورهای فشار خازنی (Capacitive sensors)
• عنصر خازنی از نظر مکانیکی ساده و مقاوم است.
• سنسورهای خازنی قادر به عملکرد در طیف وسیعی از دما هستند و نسبت به شرایط فشار مازاد (Over-pressure) بیش از حد کوتاه مدت، تحمل بسیار بالایی دارند.
• آنها می توانند برای اندازه گیری طیف گسترده ای از فشار، از خلاء ( 2.5 mbarیا 250 Pa) تا فشارهای بالا، حدوداً 10000 psi (70 MPa) مورد استفاده قرار گیرند. آنها هم برای کاربردهای فشار پایین و هم برای محیط های نسبتاً خشن ایده آل هستند.
• از آنجا که هیچ جریان DC از خازن عبور نمی کند، این سنسور ها ذاتاً کم مصرف هستند.
• تجهیزات وابسته (Passive) ممکن است به هیچ وجه به منبع تغدیه احتیاج نداشته باشند. سیگنال تحریک می تواند توسط Reader های خارجی فراهم شود. این باعث می شود آنها برای دستگاه های پزشکی پوشیدنی یا ایمپلنت مناسب باشند. این کاربردها می توانند با فن آوری های جدیدی که امکان ساخت سنسورهایی با قابلیت انعطاف پذیری یا تغییر حالت را دارند، توسعه یابند.
• سنسورهای فشار خازنی، هیسترزیس پایین و تکرارپذیری خوب در اندازه گیری ها از خود نشان می دهند. آنها همچنین حساسیت پایین نسبت به درجه حرارت دارند.
• زمان پاسخگویی در حد چند میلی ثانیه است (و حتی در دستگاه های MEMS سریعتر است).
• از آنجا که آنها ذاتاً تجهیزات AC نیستند، سنسورهای خازنی برای کاربرد های بی سیم مناسب هستند. می توان از آنها در مدارات نوسان ساز برای تولید سیگنال با فرکانس متناسب با فشار استفاده کرد که می تواند به صورت بی سیم دریافت شود.
• از طرف دیگر Reader می تواند از اتصال القایی برای اندازه گیری تغییر در فرکانس رزونانس استفاده کند، این مخصوصاً برای دستگاه های وابسته (Passive) که نیازی به منبع تغذیه ندارند مناسب است.
• یکی از معایب اصلی سنسورهای فشار خازنی، غیرخطی بودن (Non-linearity) است چون خروجی به طور معکوس با فاصله بین الکترودهای موازی، متناسب است. این امر می تواند با استفاده از سنسور در حالت لمسی بهبود یابد، جایی که دیافراگم با یک لایه عایق بر روی الکترود پایینی متصل است. با این حال، این روش می تواند حساسیت را کاهش داده و هیسترزیس را افزایش دهد. آنها همچنین در برابر لرزش حساس هستند.
• اختشاشات خازنی را می توان با قرار دادن تجهیزات الکترونیکی در نزدیک ترین فاصله به سنسور به حداقل رساند. این یکی دیگر از مزایای فناوری MEMS است.
3. سنسورهای پیزوالکتریک (Piezoelectric sensors)
• مهمترین مزیت سنسورهای فشار پیزوالکتریک استحکام بالا و توان مصرفی پایین می باشد.
• عناصر حسگر از مواد سفت و سخت ساخته می شوند که می توانند کریستال های طبیعی مانند کوارتز یا سرامیک مخصوص فرموله شده باشند. برای تولید یک خروجی نیاز به یک تغییر شکل بسیار کوچک است، بنابراین به هیچ وجه از قطعات متحرک در ساختار آن ها استفاده نمی شود.
• این سنسورها بسیار قوی و مناسب برای استفاده در طیف وسیعی از محیط های بسیار خشن هستند. آنها همچنین می توانند درجه حرارت بسیار بالا را تحمل کنند. برخی از مواد می تواند در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد استفاده شوند. این امر باعث می شود تا سنسورهای فشار پیزوالکتریک برای کاربرد هایی مانند اندازه گیری فشار در موتورهای جت مناسب باشند.
• عناصر حسگر از طریق خودشان تغذیه می شوند بنابراین به طور ذاتی دستگاه های کم مصرفی هستند. همچنین این بدین معنی است که آنها در برابر تداخل الکترومغناطیسی حساس نیستند. با این حال، طراحی رابط الکترونیکی پیچیده تر از انواع دیگر سنسور هاست. یک تقویت کننده شارژ الکتریکی برای تبدیل خروجی شارژ الکتریکی با امپدانس بالا به سیگنال ولتاژی نیاز است. این تقویت کننده باید نزدیک به عنصر حسگر قرار داشته باشد.
• برخی از سنسورها شامل قطعات الکترونیکی یکپارچه هستند که استفاده از سنسور را ساده تر می کند اما محدوده دمای عملکرد قابل استفاده را کاهش می دهند.
• با مواد سرامیکی می توان یک خروجی قابل استفاده با جابجایی های بسیار کمی بدست آورد. این بدین معنی است که می توان از آنها برای اندازه گیری فشار در محدوده وسیعی، بین psi 0.1 و
10000 psi (0.7 kPa to 70 MPa) با درستی (Accuracy) بسیار عالی استفاده کرد.
• عناصر پیزوالکتریک می توانند بسیار کوچک و با سرعت پاسخ دهی بسیار سریع به نسبت به تغییرات فشار باشند. برخی از دستگاه ها می توانند زمان های افزایش فشار را تا 1 میلیونیوم ثانیه اندازه گیری کنند. در نتیجه از سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه گیری تغییرات فشار در انفجارها استفاده می شود.
• سنسورها از نظر ساخت ساده هستند و می توانند از مواد ارزان قیمت ساخته شوند.
• محدودیت اصلی سنسورهای فشار پیزوالکتریک این است که از آنها فقط می توان برای اندازه گیری فشارهای دینامیک استفاده نمود.
• این سنسورها در برابر لرزش یا شتاب حساس هستند، که این ممکن است در کاربردهایی که در آن استفاده می شوند، معمول باشد. این امر می تواند با استفاده از یک سنسور اضافی “جبران کننده” متصل به یک جرم ساختگی به حداقل برسد. از این خروجی برای تصحیح شتاب تجربه شده توسط سنسور استفاده می شود.
در کل، این سه نوع سنسور فشار، کم هزینه و مقاوم هستند. آنها در محدوده گسترده ای از فشارها و دماهای مختلف عمل می کنند، بنابراین سنسورهای مناسبی برای تقریباً همه کاربردها وجود دارد.