یک سنسور فشار، فشار گاز یا مایع را اندازه گیری کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. از انواع سنسورهای فشار می‌توان به سنسورهای فشار پیزو مقاومتی، خازنی و نوری اشاره کرد.
سنسور فشار وسیله ای است که نیرو یا فشار وارد شده به سنسور توسط سیال، گاز یا مایع را اندازه گیری می‌کند. این سنسور فشار را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که میتواند برای کاربردهای مختلف تفسیر و استفاده شود. سنسورهای فشار معمولاً در بخش‌های صنعتی، خودروسازی، پزشکی و الکترونیک مصرفی برای نظارت و کنترل میزان فشار در سیستم‌ها و فرآیندها استفاده می‌شوند.
سنسورهای فشار بر اساس اصول مختلفی کار میکنند، اما معمولاً از یک عنصر حسی استفاده میکنند که هنگام قرار گرفتن در معرض فشار تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل معمولاً به یک سیگنال الکتریکی متناسب با فشار اعمال شده تبدیل میشود.
انواع سنسورهای فشار بر اساس تکنولوژی به کار رفته در آنها
سنسورهای فشار میتوانند به اشکال مختلف مانند سنسورهای پیزو مقاومتی، خازنی، پیزوالکتریک یا نوری باشند. هر کدام از این سنسورها بر اساس اصول متفاوتی عمل می کند، اما همه‌ی آنها یک هدف مشترک دارند که همان سنجش و اندازه گیری دقیق فشاراست. برخی از انواع رایج سنسورهای فشار عبارتند از:
سنسورهای فشار پیزومقاومتی
سنسورهای فشار پیزومقاومتی دستگاه‌هایی هستند که از اثر مقاومتی پیزو برای اندازه گیری فشار سیالات یا گازها استفاده میکنند. اثر مقاومتی پیزو به تغییر مقاومت الکتریکی برخی از مواد زمانی که تحت فشار یا کرنش مکانیکی قرار می‌گیرند، اشاره دارد.
در یک سنسور فشار پیزومقاومتی، یک لایه نازک یا دیافراگم ساخته شده از یک ماده پیزومقاومت کننده، مانند سیلیکون، برای اندازه‌گیری فشار در معرض فشار قرار میگیرد. با تغییر فشار، دیافراگم خم میشود و باعث تغییر در مقاومت ماده پیزورزیستیو میشود. این تغییر در مقاومت را می‌توان اندازه گیری کرد و به خوانش فشار تبدیل کرد.
نمای بالای سنسور فشار پیزورزیستیو. چهار پیزورزیستور در هر لبه قرار داده شده است که مدار پل وتستون را تشکیل می‌دهد.
مقطع A-A نشان دهنده انحراف دیافراگم با پیزورزیستورها در حداکثر فشار
از مزایای سنسورهای فشار پیزومقاومتی می‌توان به حساسیت، دقت و قابلیت اطمینان بالا اشاره کرد. این سنسورها میتوانند طیف وسیعی از فشارها را اندازه گیری کنند و معمولاً در کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری دقیق فشار باشد، مانند کنترل فرآیند صنعتی، سیستم‌های خودرو، و دستگاه‌های بایومدیکال استفاده میشود.
این سنسورها به دلیل استحکام و توانایی خود در مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی شناخته شده‌اند. با این حال، ممکن است برای حفظ دقت اندازه‌گیری خود نیاز به جبران دما داشته باشند زیرا تغییرات دما میتواند عملکرد آنها را تحت تاثیر قراردهد.
سنسورهای فشار خازنی
سنسورهای فشار خازنی دستگاه‌هایی هستند که از تغییرات به وجود آمده در ظرفیت برای اندازه گیری فشار سیال یا گاز استفاده میکنند. ظرفیت،به توانایی یک سیستم متشکل از هادی‌ها و عایق‌ها برای ذخیره بار الکتریکی هنگامی که ولتاژی به آنها اعمال میشود، گفته میشود.
در یک سنسور فشار خازنی، دو صفحه رسانا توسط یک ماده عایق از هم جدا می‌شوند. هنگامی که فشار اعمال میشود، فاصله بین صفحات تغییر می‌کند، که موجب تغییر در ظرفیت سنسور میشود. این تغییر در خازن را می‌توان اندازه گیری کرد و به مقادیر فشار تبدیل کرد.
از مزایای سنسورهای فشار خازنی می‌توان به دقت بالا، پایداری و مصرف انرژی کم اشاره کرد. آنها همچنین خاصیت خطینگی خوبی در محدوده فشار گسترده دارند و میتوانند به راحتی در سیستم‌های الکترونیکی برای اندازه گیری دقیق فشار ادغام شوند.
سنسورهای فشار خازنی در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، هوافضا، الکترونیک مصرفی و سیستم‌های HVAC کاربرد دارند. آنها معمولاً در سیستم‌های نظارت و کنترل فشار، سیستم‌های کنترل ایربگ(airbag) و دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌شوند.
لازم به ذکر است که عملکرد سنسورهای فشار خازنی میتواند تحت تأثیر عواملی مانند دما، رطوبت و تداخل الکترومغناطیسی قرارگیرد. بنابراین برای حفظ دقت اندازه‌گیری‌های سنسور، کالیبراسیون مناسب و به موقع و توجه به ملاحظات محیطی ضروری است.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک
سنسورهای فشار پیزوالکتریک دستگاه‌هایی هستند که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری فشار یک سیال یا گاز استفاده میکنند. اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تولید بار الکتریکی در پاسخ به فشار مکانیکی اعمال شده است.
در یک سنسور فشار پیزوالکتریک، یک کریستال پیزوالکتریک یا ماده سرامیکی نازک به یک دیافراگم متصل میشود. هنگامی که فشار به دیافراگم وارد میشود، خم میشود و باعث ایجاد فشار مکانیکی بر روی مواد پیزوالکتریک میشود. این تنش یک بار الکتریکی تولید می‌کند که میتواند اندازه گیری شود و به مقادیر فشار تبدیل شود.
از مزایای سنسورهای فشار پیزوالکتریک می‌توان به حساسیت بالا، پاسخ فرکانسی گسترده و توانایی مقاومت در برابر محیط‌های سخت اشاره کرد. آنها معمولاً در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، پزشکی و کاربردهای صنعتی استفاده می شوند.
سنسورهای فشار نوری
سنسورهای فشار نوری دستگاه‌هایی هستند که از فناوری مبتنی بر نور برای اندازه گیری فشار استفاده میکنند. این حسگرها از اصول نوری مختلفی مانند بازتاب، شکست، جذب یا تداخل برای تشخیص تغییرات ناشی از فشار و تبدیل آنها به سیگنال‌های قابل اندازه گیری استفاده میکنند.
یکی از انواع رایج سنسور فشار نوری، سنسور فشار فیبر نوری است. این سنسور شامل یک دیافراگم است که در پاسخ به فشار خم میشود و باعث تغییر در شدت، فاز یا طول موج نوری میشود که از آن عبور می‌کند. این تغییرات را می‌توان به منظور تعیین فشار اعمال شده، شناسایی و تجزیه و تحلیل کرد.
سنسورهای فشار فیبر نوری چندین مزیت دارند. آنها در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند، حساسیت بالایی دارند و میتوانند برای اندازه‌گیری فشار در محیط‌های سخت، از جمله دماهای بالا، سیالات خورنده یا محیط‌های مستعد انفجار طراحی شوند. علاوه بر این، آنها اغلب کوچک، سبک و انعطاف پذیر هستند و برای کاربردهای مختلف مناسب میباشند.
نوع دیگری از سنسور فشار نوری سنسور تداخل سنج Fabry-Perot است. این سنسور از تداخل امواج نوری برای اندازه گیری فشار استفاده می‌کند. تغییرات ناشی از فشار در شکاف بین دو سطح موازی منجر به تغییرات در الگوی تداخل میشود که میتواند برای تعیین فشار مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.
سنسور فشار کرنش سنج(Strain Gauge)
این نوع از سنسورهای فشار سنج، دستگاه‌هایی هستند که از اصل کرنش برای اندازه گیری فشار استفاده میکنند. آنها از یک دیافراگم انعطاف پذیر که با اعمال فشار تغییر شکل می‌دهد و یک فشار سنج متصل به دیافراگم، تشکیل شده اند. کرنش سنج یک سیم یا فویل نازک است که از یک ماده رسانا ساخته شده است. هنگامی که فشار بر دیافراگم وارد میشود، تغییر شکل می‌یابد و باعث ایجاد فشار (strain gauge) میشود. این تغییر در طول یا شکل منجر به تغییر در مقاومت الکتریکی کرنش سنج میشود. با اندازه گیری این تغییر مقاومت می‌توان فشار وارد شده به دیافراگم را تعیین کرد.
سنسورهای فشار کرنش سنج دارای مزایای مختلفی هستند. آنها دقت خوب، حساسیت بالا و محدوده اندازه گیری گسترده ای دارند. همچنین از نظر طراحی نسبتا ساده و مقرون به صرفه هستند و میتوانند به راحتی در سیستم‌ها و برنامه‌های مختلف ادغام شوند.
با این حال، سنسورهای فشار کرنش سنج اغلب برای ارائه اندازه گیری‌هایی دقیق و قابل اعتماد به تقویت و تنظیم سیگنال نیاز دارند. چرا که تغییر مقاومت معمولاً کوچک است و باید به یک سیگنال الکتریکی قابل استفاده تبدیل شود.
این سنسورها در بسیاری از صنایع از جمله خودروسازی، هوافضا، اتوماسیون صنعتی و مراقبت‌های بهداشتی کاربرد دارند. آنها معمولاً برای اندازه گیری فشار در دستگاه‌هایی مانند مبدل‌های فشار، مانومترها و سیستم‌های کنترل و نظارت بر فشار استفاده می‌شوند.
سنسورهای فشار MEMS (سیستم های میکروالکترومکانیکی)
سنسورهای فشار MEMS از ریزساختارهای مینیاتوری و یکپارچه برای اندازه گیری فشار استفاده میکنند. این سنسورها اغلب از ترکیب عناصر حسگری و الکترونیکی مختلف بر روی یک تراشه تشکیل شده‌اند که این ویژگی باعث میشود سایز کوچکی داشته و برای دستگاه های قابل حمل مناسب باشند.
اینها تنها چند نمونه از انواع سنسورهای فشار هستند، اما بسته به نیازهای خاص پروژه‌های مختلف، سنسورهای تخصصی و مختلف بیشتری وجود دارد.
انواع سنسور فشار بر اساس اصول اندازه گیری که استفاده میکنند
سنسورهای فشار را می‌توان بر اساس اصول اندازه گیری که به کار می‌برند، دسته بندی کرد. برخی از انواع رایج این سنسورها عبارتند از:
سنسورهای فشار مطلق
سنسورهای فشار مطلق برای اندازه گیری فشار نسبت به خلاء کامل طراحی شده اند که به عنوان فشار صفر مطلق در نظر گرفته میشود. این سنسورها معمولاً از یک محفظه مرجع مهر و موم شده استفاده میکنند که کاملاً از مولکول‌های هوا تخلیه میشود.
یک سنسور فشار مطلق، کل فشار وارد بر آن، از جمله فشار اتمسفر و هرگونه فشار اضافی از منبع اندازه گیری شده را اندازه گیری می‌کند. با کم کردن فشار اتمسفر از کل فشار، می‌توان فشار خود منبع را تعیین کرد. این سنسورها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که اندازه‌گیری فشار باید به خلاء ارجاع داده شود، نه فشار اتمسفر.
سنسورهای فشار مطلق میتوانند از تکنولوژی‌های مختلفی برای اندازه گیری فشار استفاده کنند، مانند کرنش سنج‌ها، عناصر پیزوالکتریک، عناصر خازنی یا متدهای نوری. هر فناوری مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد و انتخاب آن به عواملی مانند دقت، محدوده دما و شرایط محیطی بستگی دارد.
سنسورهای فشار گیج
سنسورهای فشار گیج برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار اتمسفر طراحی شده اند. این سنسورها میتوانند فشارهای بالاتر یا پایین‌تر از اتمسفر را اندازه‌گیری کنند که به عنوان فشار گیج نیز شناخته میشود. برخلاف سنسورهای فشار مطلق که فشار را نسبت به خلاء کامل اندازه می‌گیرند، سنسورهای فشار گیج محفظه مرجع مهر و موم شده ندارند و به فشار اتمسفر اطراف به عنوان نقطه مرجع خود متکی هستند.
سنسورهای فشار سنج معمولاً در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند که اندازه گیری فشار نسبت به فشار اتمسفر محیط مطلوب است.
درست مانند آنچه برای سنسورهای فشار مطلق گفته شد، سنسورهای فشار گیج نیز میتوانند از تکنولوژی‌های مختلفی مانند کرنش سنج، عناصر پیزومقاومت، عناصر خازنی یا عناصر ارتعاشی برای اندازه‌گیری فشار استفاده کنند. انتخاب تکنولوژی به عواملی مانند دقت مورد نیاز، محدوده دما و شرایط محیطی بستگی دارد.
به طور خلاصه، سنسورهای فشار گیج به طور گسترده‌ای برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار اتمسفر استفاده می‌شوند و از اطلاعات آنها در کاربردهای صنعتی، خودرویی و محیطی متعددی استفاده میشود.
سنسورهای فشار دیفرانسیلی
سنسورهای فشار تفاضلی برای اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه طراحی شده اند. این سنسورها افت فشار یا اختلاف فشار را در یک دستگاه، سیستم یا یک بخش اندازه می‌گیرند. این حسگرها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آنها نظارت و کنترل تغییرات فشار، نرخ جریان یا میزان سیال مهم است.
سنسورهای فشار دتفاضلی با مقایسه فشار در دو موقعیت مختلف کار میکنند. این نوع سنسورها دارای دو پورت هستند – یکی برای هر منبع فشار. اختلاف فشار بین این دو پورت اندازه گیری شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود که میتواند توسط یک سیستم کنترل نمایش داده شود یا از آن
استفاده شود. از این سنسورها معمولا در سیستم‌های HVAC، اتاق‌های پاک(در بیمارستان‌ها)، تجهیزات پزشکی، فرآیندهای صنعتی، مدیریت انرژی و… استفاده میشود که به کنترل بهتر، ایمنی و کارایی بهتر کمک میکنند.
سنسورهای فشار خلاء(وکیوم)
این سنسورها به طور خاص فشارهای زیر فشار اتمسفر را، معمولاً در محدوده چند میلی بار (بار) تا میکروپاسکال (µPa) اندازه‌گیری میکنند.
سنسورهای فشار مهر و موم شده
این سنسورها برای محیط‌های سخت طراحی شده‌اند که در آن عنصر حسگر باید از تماس با سیال مورد اندازه‌گیری محافظت شود. به همین دلیل این سنسورها یک محفظه مهر و موم شده برای جلوگیری از هرگونه تماس مستقیم با سیال دارند.
همانطور که میدانید اینها تنها برخی از انواع سنسورهای فشار بر اساس اصول اندازه گیری آنها هستند. هر کدام از آنها مزایا و کاربردهای خود را دارد، بنابراین انتخاب نوع مناسب سنسور به نیازهای خاص هر پروژه بستگی دارد.
طول عمر سنسور فشار به عوامل مختلفی از جمله کیفیت سنسور، شرایط کاری و نحوه نگهداری سنسور بستگی دارد. به طور کلی، سنسورهای فشار که به خوبی نگهداری می‌شوند میتوانند چندین سال کار کنند.
برای انتخاب سنسور فشار مناسب، عواملی مانند محدوده فشار، درستی مورد نیاز، شرایط محیطی (دما، رطوبت و غیره)، سازگاری با سیال یا گاز مورد اندازه گیری و سایر ویژگی خاص مورد نیاز برای پروژه خود را در نظر بگیرید.
برخی از ملاحظاتی که باید هنگام استفاده از سنسورهای فشار در نظر گرفته شوند عبارتند از حساسیت آنها به تغییرات دما، سازگاری با محیط اندازه گیری(مواد خورنده، سیالات با ویسکوزیته بالا و غیره) و نیاز به نصب و محافظت مناسب در برابر عوامل خارجی مانند ارتعاشات یا افزایش فشار بیش از حد.
سنسورهای فشار جبرابیت
در ادامه، لیستی از سنسورهای فشاری که توسط تیم GebraBit برای سهولت کار شما عزیزان، طراحی و تولید شده‌اند برایتان آورده شده است. شما می‌توانید با کلیک بر روی عنوان هر یک از این سنسورها اطلاعات بیشتری درباره آنها کسب کنید.
