سنسور نیرو، نیروی اعمال شده به یک جسم یا سطح را اندازه گیری میکند. نیروی مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. انواع آن عبارتند از سنسورهای نیروی فشار کرنش سنج، سنسورهای نیروی پیزوالکتریک و سنسورهای نیروی خازنی. از این سنسورها در زمینه‌های اتوماسیون صنعتی، رباتیک، تست مواد و دستگاه‌های پزشکی استفاده میشود.
سنسورهای نیرو سنسورهایی اند که برای اندازه گیری نیرو یا بار اعمال شده به آنها استفاده میشوند. آنها نیروی اعمال شده را به یک خروجی الکتریکی تبدیل میکنند که می‌تواند اندازه گیری و تجزیه و تحلیل شود.
اکثر سنسورهای نیرو بر پایه کرنش سنج هستند. کرنش سنج سیم یا فویل کوچکی است که در اثر فشار یا تغییر شکل مکانیکی مقاومت الکتریکی خود را تغییر می‌دهد.
سنسورهای نیرو برای نصب بین بار یا جسم مورد اندازه گیری و ساختار پشتیبانی آن طراحی شده‌اند. این سنسورها به منظور دست یابی به اندازه‌گیری‌های دقیق و درست نیاز به کالیبراسیون مناسب دارند.
سنسورهای نیرو در اشکال، اندازه‌ها و محدوده‌های اندازه‌گیری مختلف برای کاربردهای متنوع وجود دارند. آنها به طور گسترده در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا، رباتیک، تست مواد، دستگاه‌های پزشکی و اتوماسیون صنعتی استفاده میشوند. از کاربردهای متداول این سنسورها میتوان به اندازه گیری نیرو، سیستم‌های توزین، آنالیز کرنش، تست کشش و فشار و سیستم‌های کنترل بازخورد می‌باشد.
در انتخاب سنسور نیروی مناسب برای هر پروژه، توجه به اساس الزامات خاص هر پروژه، از جمله محدوده نیروی مورد انتظار، شرایط محیطی، درستی و سازگاری با سیستم جمع‌آوری داده یا سیستم کنترل مورد استفاده، مهم است.
انواع سنسورهای نیرو و نحوه کار آنها
انواع مختلفی از سنسورهای نیرو وجود دارد که هر کدام برای مطابقت با نیازهای اندازه گیری و کاربردهای مختلف طراحی شده اند. در ادامه با چند نوع از سنسورهای نیرو که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، بیشتر آشنا خواهیم شد :
لودسلهای کرنش سنج
لودسلهای کرنش سنج یکی از رایج‌ترین سنسورهای نیرو هستند. آنها بر اساس اصول کرنش سنج‌ها کار میکنند. کرنش سنج‌ها المان‌هایی هستند که هنگام قرار گرفتن در معرض کرنش یا تغییر شکل، موجب ایجاد تغییر در مقاومت میشوند.
لودسلهای کرنش سنج معمولاً از یک بدنه یا ساختار فلزی تشکیل شده اند که با اعمال نیرو دچار تغییر شکل میشود.
در داخل لودسل، یک یا چند کرنش سنج به سطحی که در معرض کرنش قرار میگیرد متصل میشود.
هنگامی که نیرویی به لودسل وارد میشود، بدنه فلزی را کمی تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل منجر به تغییر در مقاومت الکتریکی کرنش سنج(ها) میشود.
کرنش سنج‌ها به یک ساختار پل وتستون، که مدار الکتریکی است که تغییرات کوچک مقاومت را اندازه گیری میکند، متصل میشوند. نیروی اعمال شده باعث تغییر مقاومت و در نتیجه باعث ایجاد عدم تعادل در مدار پل وتستون میشود.
عدم تعادل در مدار پل یک سیگنال الکتریکی کوچک متناسب با نیروی اعمال شده ایجاد میکند. سپس این سیگنال توسط لودسل تقویت شده و به شکل قابل استفاده مانند ولتاژ یا جریان تبدیل میشود.
قبل از استفاده از یک لودسل کرنش سنج، باید با اعمال نیروهای شناخته شده و اندازه گیری سیگنال‌های خروجی مربوطه کالیبره شود. این فرآیند کالیبراسیون، درستی و قابل اعتماد بودن اندازه گیری‌های سنسور را تضمین میکند.
مزایا و کاربردهای لودسلهای کرنش سنج:
لودسلهای کرنش سنج به طور گسترده در موارد مختلف از جمله ترازو، ماشین آلات صنعتی، تست مواد، هوافضا، تست خودرو و… استفاده میشود. این سنسورها درستی خوبی دارند و رزولوشن(وضوح) بالایی از خود ارائه می‌دهند و می‌توانند نیروهای کششی و فشاری را اندازه گیری کنند.
شایان ذکر است که لودسلهای کرنش سنج باید به درستی نصب شوند و از آنها در برابر عوامل خارجی مانند تغییرات دما، رطوبت و شوک‌های مکانیکی محافظت شود تا عملکردی درست و قابل اعتماد داشته باشند.
لودسل های پیزوالکتریک
لودسل پیزوالکتریک نوعی سنسور نیرو است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه گیری نیرو یا فشار استفاده میکند. اثر پیزوالکتریک به توانایی برخی مواد برای تولید بار الکتریکی در پاسخ به تنش یا تغییر شکل مکانیکی اشاره دارد.
لودسلهای پیزوالکتریک از یک یا چند عنصر پیزوالکتریک تشکیل شده‌اند که معمولاً از کریستال یا سرامیک ساخته شده‌اند که با اعمال نیرو به صورت مکانیکی تغییر شکل می‌دهند. این عناصر معمولاً در یک محفظه محافظ مونتاژ میشوند.
هنگامی که نیرویی به لودسل وارد میشود، باعث تغییر شکل عناصر پیزوالکتریک میشود. این تغییر شکل مکانیکی باعث ایجاد بار الکتریکی در عناصر میشود.
بار الکتریکی تولید شده، توسط الکترودهای متصل به عناصر پیزوالکتریک جمع آوری میشود. سپس بار با استفاده از مدارهای تقویت و سیگنال کاندیشنینگ به یک سیگنال خروجی الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل میشود.
مانند سایر لودسل‌ها، لودسلهای پیزوالکتریک برای برقراری رابطه بین نیروی اعمال شده و سیگنال خروجی الکتریکی مربوطه به کالیبراسیون نیاز دارند. کالیبراسیون این لودسل‌ها را میتوان با اعمال نیروهای شناخته شده و ثبت سیگنال‌های حاصل، انجام داد.
مزایا و معایب لودسلهای پیزوالکتریک:
لودسلهای پیزوالکتریک دارای مزایایی از جمله درستی بالا، زمان پاسخ سریع و توانایی اندازه گیری نیروهای دینامیکی هستند. آنها معمولاً در کاربردهایی مانند آزمایش مواد، اندازه گیری ضربه، آزمایش فشرده سازی، نظارت بر نیرو و تجزیه و تحلیل ارتعاش استفاده میشوند.
اما از طرف دیگر لودسل پیزوالکتریک در مواردی مثل پایداری طولانی مدت و حساسیت به تغییرات دما ممکن است محدودیت‌هایی داشته باشد. بنابراین، توجه به شرایط محیطی مناسب و کالیبراسیون مجدد منظم برای حفظ دقت و قابلیت اعتماد اندازه گیری‌های سنسورضروری است.
لودسل های خازنی
لودسلهای خازنی نوع دیگری از سنسورهای نیرو هستند که معمولاً برای اندازه گیری نیرو یا وزن استفاده میشوند. آنها بر اساس اصل تغییر در ظرفیت در اثر نیروی اعمالی عمل میکنند.
لودسلهای خازنی از دو صفحه موازی تشکیل شده اند که با یک شکاف کوچک از هم جدا شده اند. هنگامی که نیرویی به لودسل وارد میشود، باعث تغییر در شکاف بین صفحات و در نتیجه تغییر ظرفیت خازنی میشود.
نیروی اعمال شده باعث تغییر شکل در لودسل و در نهایت منجر به تغییر در ناحیه همپوشانی و فاصله بین صفحات میشود. این تغییر در هندسه منجر به تغییر در ظرفیت خازن لودسل میشود.
این تغییر در ظرفیت با استفاده از مدارهای الکترونیکی اندازه گیری میشود که تفاوت بار ذخیره شده بین صفحات را تشخیص می‌دهد. این تغییر سپس به سیگنال خروجی الکتریکی، معمولاً ولتاژ یا جریان، متناسب با نیروی اعمالی تبدیل میشود.
درست مانند سایر لودسل‌ها، لودسلهای خازنی نیز برای برقراری رابطه بین نیروی اعمال شده و سیگنال خروجی الکتریکی مربوطه، نیاز به کالیبراسیون دارند. کالیبراسیون این سنسورها معمولاً شامل اعمال نیروهای شناخته شده و ثبت سیگنال‌های حاصل میشود.
مزایا و معایب لودسل خازنی:
لودسلهای خازنی دارای مزایایی از قبیل درستی بالا، پایداری و مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی میباشند. آنها معمولاً در کاربردهای مختلفی از جمله سیستم‌های توزین، اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌های پزشکی و وظایف نظارت بر نیرو استفاده میشوند.
در هنگام استفاده از این لودسل‌ها باید به نصب درست آنها و جلوگیری از اضافه بار بیش از حد که می‌تواند باعث آسیب مکانیکی به لودسل شود، توجه شود. علاوه بر این، کالیبراسیون و نگهداری دوره‌ای برای حفظ درستی و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌های سنسور در طول زمان ضروری است.