قائمة المحتوى
● مبدأ العمل لأجهزة استشعار الضغط
● أنواع أجهزة استشعار الضغط وآليات العمل الخاصة بها
>> 1.
>> 2. أجهزة استشعار الضغط السعة
>> 3. أجهزة استشعار الضغط الكهروإجهادية
>> 4. أجهزة استشعار ضغط الأغشية الرقيقة
>> 5. أجهزة استشعار الضغط البصري
>> 6. أجهزة استشعار الضغط الرنانة
● موضوعات متقدمة في تكنولوجيا استشعار الضغط
>> أجهزة استشعار الضغط اللاسلكية والذكية
● اعتبارات رئيسية عند اختيار مستشعر الضغط
>> الضغط الزائد والحماية للانفجار
>> الضوضاء الكهربائية والتداخل
● الابتكارات والاتجاهات المستقبلية
● خاتمة
>> 1. ما هو الفرق بين مستشعر الضغط ، محول الطاقة ، والمرسل؟
>> 2. كيف أختار مستشعر الضغط المناسب لتطبيقي؟
>> 3. هل يمكن لمستشعرات الضغط قياس كل من السوائل والغازات؟
>> 4. ما هي الأسباب الرئيسية لفشل مستشعر الضغط؟
>> 5. كيف يمكنني الحفاظ على مستشعر الضغط ومعايرة؟
تعتبر أجهزة استشعار الضغط مكونات حيوية في عدد لا يحصى من الأنظمة الحديثة ، مما يتيح القياس الدقيق والتحكم في الضغط في الصناعات التي تتراوح من السيارات والفضاء إلى الرعاية الصحية والمراقبة البيئية. فهم كيف أ تتضمن أعمال استشعار الضغط استكشاف مبادئها الأساسية وأنواعها المختلفة والهندسة المعمارية الداخلية ومعالجة الإشارات والاعتبارات العملية للتطبيق. تتعمق هذه المقالة الشاملة في العلوم والتكنولوجيا والاستخدامات الواقعية لأجهزة استشعار الضغط ، مما يوفر دليلًا شاملاً للمهندسين والطلاب وأي شخص مهتم بتكنولوجيا المستشعرات.
مستشعر الضغط عبارة عن جهاز يكتشف القوة التي يمارسها سائل (سائل أو غاز) على سطح ويحول هذه القوة إلى إشارة كهربائية. يمكن بعد ذلك قياس هذه الإشارة أو عرضها أو استخدامها للتحكم في التعليقات في الأنظمة الآلية. غالبًا ما تسمى مستشعرات الضغط محولات محولات الضغط أو أجهزة الإرسال أو المفاتيح ، اعتمادًا على تصميمها وإخراجها.
في قلبها ، تعمل مستشعرات الضغط عن طريق ترجمة الضغط المادي المطبق على عنصر الاستشعار في إشارة كهربائية. تتضمن العملية عمومًا ثلاث خطوات رئيسية:
1. مجموعة القوة: حجاب الحاجز المرن أو تشوهات الغشاء استجابة للضغط التطبيقي.
2. تحويل الإشارة: يتم اكتشاف التشوه بواسطة عنصر نقل (مثل مقياس السلالة أو اللوحة السعية أو البلورة الكهروضوئية) ، والذي يحول التغيير الميكانيكي إلى إشارة كهربائية.
3. توليد الإخراج: تتم معالجة الإشارة الكهربائية وإخراجها كجهد أو تيار أو رقمي لمزيد من الاستخدام.
تعتبر دقة وموثوقية عملية التحويل هذه ضرورية لفعالية المستشعر في التطبيقات الواقعية.
تأتي أجهزة استشعار الضغط في أنواع مختلفة ، ولكل منها مبادئ عمل فريدة وتطبيقات مناسبة. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا:
- الهيكل: تستخدم هذه المستشعرات حجابًا رفيعًا مع مقاييس الإجهاد المرتبطة به ، وغالبًا ما يتم ترتيبها في تكوين جسر Wheatstone.
- العملية: عند تطبيق الضغط ، يثني الحجاب الحاجز ، مما يؤدي إلى تغيير مقاومة أجهزة قياس الإجهاد. هذا التغيير في المقاومة يغير ناتج الجهد ، والذي يتناسب مع الضغط.
- التطبيقات: تستخدم على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية وأنظمة السيارات والأجهزة الطبية بسبب موثوقيتها وفعاليتها من حيث التكلفة.
- الهيكل: يتكون من لوحين موصلان - واحد ثابت وواحد مرن (الحجاب الحاجز).
- العملية: يؤدي الضغط إلى تحرك الحجاب الحاجز ، وتغيير المسافة بين الألواح وبالتالي السعة. يتم اكتشاف هذا الاختلاف وتحويله إلى إشارة كهربائية.
-التطبيقات: مثالية لقياسات الضغط المنخفض والتطبيقات عالية الدقة والبيئات التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة.
- الهيكل: استخدم مواد مثل الكوارتز أو بعض السيراميك التي تولد شحنة كهربائية عند التأكيد ميكانيكيا.
- العملية: عند تطبيق الضغط ، تولد المادة الكهروإجهادية جهدًا يتناسب مع القوة. تتفوق هذه المستشعرات في قياس الضغوط الديناميكية (المتغيرة بسرعة).
- التطبيقات: تستخدم في تحليل الاهتزاز ، ومراقبة الصدمة ، وقياس الضغط الديناميكي ، والتطبيقات الصوتية.
- هيكل: ميزة مقاييس الفيلم الرفيع المعدني المودعة على الحجاب الحاجز المعدني.
- العملية: الضغط ينحني الحجاب الحاجز ، وتغيير المقاومة الكهربائية للفيلم الرقيق ، والذي يتم قياسه كإشارة الخرج.
-التطبيقات: مناسبة للبيئات الصناعية عالية درجة الحرارة والثبات والثبات.
- الهيكل: استخدم الألياف البصرية أو المكونات للكشف عن التغيرات التي يسببها الضغط في انتقال الضوء أو الانعكاس.
- العملية: يغير الضغط الخواص الفيزيائية للمسار البصري ، مثل فهرس الانحناء أو الانكسار ، والذي يعدل إشارة الضوء.
- التطبيقات: مناسبة للبيئات ذات التداخل الكهرومغناطيسي القوي ، مثل آلات التصوير بالرنين المغناطيسي أو معدات الجهد العالي.
- الهيكل: استخدم عنصر اهتزاز (مثل شعاع السيليكون) يتغير تردد الرنين مع الضغط المطبق.
- العملية: الإجهاد الناجم عن الضغط يغير تردد الرنين ، والذي يتم قياسه إلكترونيًا.
- التطبيقات: تستخدم في الأدوات العلمية عالية الدقة وأنظمة الطيران.
يمكن لمستشعرات الضغط إخراج إشارات في أشكال مختلفة ، مصممة خصيصًا لاحتياجات التطبيقات المختلفة:
- إخراج الجهد: شائع في محولات الضغط ، مما يوفر الجهد المباشر يتناسب مع الضغط.
- الناتج الحالي (4-20 مللي أمبير): المعيار في أجهزة الإرسال الصناعية ، مما يسمح بنقل إشارة المسافات الطويلة مع الحد الأدنى من الخسارة.
- الإخراج الرقمي: يستخدم في أجهزة الاستشعار الحديثة مع واجهات متحكم (I2C ، SPI ، Can ، وما إلى ذلك) ، تمكين التكامل في الأنظمة الرقمية وأجهزة إنترنت الأشياء.
غالبًا ما يتم تضمين دوائر تكييف الإشارات داخل حزمة المستشعر لتضخيم وتصفية وخطبة الإخراج ، مما يضمن قراءات دقيقة ومستقرة.
يتم تصنيف أجهزة استشعار الضغط بناءً على النقطة المرجعية المستخدمة في القياس:
- ضغط المقياس: التدابير المتعلقة بالضغط الجوي (على سبيل المثال ، ضغط الإطارات).
- الضغط المطلق: التدابير بالنسبة إلى فراغ مثالي (على سبيل المثال ، الضغط البارومتري).
- الضغط التفاضلي: يقيس الفرق بين نقطتين (على سبيل المثال ، عبر مرشح أو فتحة).
يقدم كل نوع تطبيقات محددة ويتطلب تصميم المستشعر المناسب.
أجهزة استشعار الضغط في كل مكان عبر الصناعات والتقنيات. تشمل بعض التطبيقات الرئيسية:
- مراقبة والتحكم في الأنظمة الهيدروليكية والهواء المضغوط.
- ضمان السلامة في التحكم في العملية (على سبيل المثال ، الغلايات ، الضواغط).
- اكتشاف التسرب والصيانة الوقائية.
- أنظمة مراقبة ضغط الإطارات (TPMS).
- إدارة المحرك (ضغط الهواء المشعب ، ضغط الزيت).
- نشر الوسادة الهوائية وأنظمة الفرامل.
- مراقبين لضغط الدم (غير جراحي وغازي).
- معدات الجهاز التنفسي (أجهزة التنفس الصناعية ، آلات التخدير).
- مضخات التسريب وأنظمة توصيل السوائل.
- محطات الطقس (الضغط البارومتري).
- المياه الجوفية والفيضانات.
- جودة الهواء واكتشاف التلوث.
- التحكم في ضغط المقصورة.
- الارتفاع وقياس السرعة الجوية.
- مراقبة نظام المحرك ونظام الوقود.
- الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء (أجهزة الارتفاع ، أجهزة قياس الباروم).
- أتمتة المنزل (HVAC ، الأجهزة الذكية).
- مراقبة خطوط الأنابيب والكشف عن التسرب.
- قياس ضغط البئر.
- أنظمة سلامة محطة الطاقة.
أحدثت تقنية النظم الميكانيكية الدقيقة (MEMS) ثورة في أجهزة استشعار الضغط من خلال تمكين التصغير والإنتاج الضخم. تستخدم أجهزة استشعار ضغط MEMS الحجاب الحاجز المصنوع من العناصر الدقيقة والعناصر السعة أو السعة ، وتقديم:
- الحجم الصغير والوزن المنخفض.
- انخفاض استهلاك الطاقة.
- موثوقية عالية وتكرار.
- التكامل مع الإلكترونيات الرقمية.
تستخدم أجهزة استشعار MEMS على نطاق واسع في إلكترونيات السيارات والطبية والاستهلاكية بسبب الاكتئاب وفعالية التكلفة.
مع ظهور إنترنت الأشياء (IoT) ، يتم دمج أجهزة استشعار الضغط بشكل متزايد مع وحدات الاتصال اللاسلكية (Bluetooth ، Zigbee ، Lora ، إلخ) ، وتمكين المراقبة عن بُعد وتسجيل البيانات. قد تتضمن أجهزة الاستشعار الذكية:
- معالجة الإشارة على متن الطائرة.
- المعايرة الذاتية والتشخيص.
- تشفير البيانات لإرسال آمن.
توسع هذه التطورات نطاق مستشعرات الضغط إلى صيانة تنبؤية ، والمدن الذكية ، والرعاية الصحية المتصلة.
لضمان الدقة ، يتم معايرة أجهزة استشعار الضغط مقابل المعايير المعروفة. غالبًا ما يشمل الشركات المصنعة خوارزميات تعويض درجة الحرارة وخوارزميات الخطية لمواجهة التأثيرات البيئية وانجراف المستشعر. قد تخزن المستشعرات المتقدمة بيانات المعايرة في الذاكرة على متن الطائرة ، مما يسمح باستبدال التوصيل والتشغيل.
يتضمن اختيار مستشعر الضغط المناسب موازنة عوامل متعددة:
- نطاق الضغط: تأكد من أن المستشعر يغطي نطاق التشغيل المتوقع بهوامش أمان كافية.
- الدقة والدقة: تطابق دقة المستشعر مع متطلبات التطبيق ؛ النظر في إجمالي نطاق الخطأ على درجة الحرارة والوقت.
- الظروف البيئية: تقييم التعرض لدرجات الحرارة القصوى والرطوبة والاهتزاز والصدمة والوسائط المسببة للتآكل.
- نوع إشارة الإخراج: اختر مستشعرًا مع إخراج متوافق مع نظامك (الجهد التناظري ، الحلقة الحالية ، الرقمية).
- وقت الاستجابة: الاستجابة السريعة أمر بالغ الأهمية لقياسات الضغط الديناميكي (على سبيل المثال ، مراقبة المحرك ، اكتشاف الانفجار).
- توافق المواد: يجب أن تقاوم الأجزاء المبللة المستشعر التآكل أو الهجوم الكيميائي من وسط العملية.
- الحجم والتركيب: النظر في قيود المساحة والتركيب المتاحة.
- التكلفة وطول العمر: توازن التكلفة الأولية ضد متطلبات الحياة والصيانة المتوقعة.
يمكن أن تكون مستشعرات الضغط حساسة لتغيرات درجة الحرارة ، مما يسبب الانجراف أو عدم الخطية. تشمل الحلول:
- دوائر تعويض درجة الحرارة المدمجة.
- استخدام مواد ذات توسع حراري منخفض.
- معايرة منتظمة في بيئة التشغيل.
يمكن أن يؤدي تعريض أجهزة الاستشعار إلى الضغوط التي تتجاوز الحد الأقصى المقنن إلى أضرار دائمة. تشمل العديد من المستشعرات:
- توقف ميكانيكي للحد من انحراف الحجاب الحاجز.
- صمامات تخفيف الضغط أو أقراص انفجار في التطبيقات الحرجة.
يمكن للبيئات الصناعية تقديم الضوضاء الكهربائية التي تؤثر على دقة المستشعر. تشمل استراتيجيات التخفيف:
- الكابلات المحمية والتأريض المناسب.
- انتقال الإشارة التفاضلية (على سبيل المثال ، حلقات 4-20 مللي أمبير).
- إخراج الإشارة الرقمية لسلامة البيانات القوية.
إن اختيار مواد المستشعر الصحيحة (على سبيل المثال ، الفولاذ المقاوم للصدأ ، Hastelloy ، السيراميك) يضمن الأداء طويل الأجل في البيئات المسببة للتآكل أو الكاشطة.
يتشكل مستقبل تقنية مستشعرات الضغط من خلال عدة اتجاهات:
- التكامل مع AI وتحليلات البيانات: يمكن لأجهزة الاستشعار الذكية مع المعالجة على متن الطائرة اكتشاف الحالات الشاذة والتنبؤ بالفشل.
- أجهزة استشعار مرنة ويمكن ارتداؤها: تطوير مستشعرات الضغط على ركائز مرنة للتطبيقات الطبية والرياضية.
- حصاد الطاقة: أجهزة استشعار مدعومة بالطاقة المحيطة (الاهتزاز ، الحراري ، أو الطاقة الشمسية) للتشغيل الخالي من الصيانة.
- الاستدامة البيئية: المواد الصديقة للبيئة وعمليات التصنيع.
لا غنى عن أجهزة استشعار الضغط في عالم اليوم المتقدم تقنيًا ، مما يوفر الصلة الحاسمة بين البيئة المادية والأنظمة الإلكترونية. إن قدرتهم على قياس الضغط بدقة وموثوقية تدعم السلامة والكفاءة والابتكار عبر الصناعات. من أجهزة استشعار MEMS الصغيرة في الهواتف الذكية إلى أجهزة الإرسال الصناعية القوية في منصات النفط ، يستمر تطور تكنولوجيا مستشعرات الضغط في إحراز تقدم في الأتمتة والرعاية الصحية والنقل وما بعده. إن فهم كيفية عمل مستشعرات الضغط وأنواعها ومعايير الاختيار الخاصة بهم ، يمكّن المهندسين والمستخدمين من تسخير إمكاناتهم الكاملة للتطبيقات الحالية والمستقبلية.
يكتشف مستشعر الضغط الضغط ويحوله إلى إشارة كهربائية. يشير محول الضغط عادة إلى مستشعر يخرج إشارة الجهد تتناسب مع الضغط ، في حين أن جهاز إرسال الضغط يحول الضغط المكتشف إلى ناتج تيار (غالبًا 4-20 مللي أمبير) للتطبيقات الصناعية.
النظر في عوامل مثل نطاق الضغط المطلوب ، الدقة ، الظروف البيئية ، نوع إشارة الخرج ، والتوافق مع الوسيلة التي يتم قياسها. أيضًا ، قم بتقييم وقت استجابة المستشعر وتوافق المواد لبيئات محددة.
نعم ، تم تصميم معظم أجهزة استشعار الضغط لقياس ضغط كل من السوائل والغازات ، شريطة أن تكون مواد المستشعر متوافقة مع الوسط ونطاق الضغط مناسب.
تشمل الأسباب الشائعة التعرض للمواد الكيميائية غير المتوافقة ، ودرجات الحرارة القصوى ، والصدمة الميكانيكية أو الاهتزاز ، والعروض الكهربائية ، والأضرار الفيزيائية للحجاب الحاجز أو عنصر الاستشعار.
يوصى بالمعايرة المنتظمة وفقًا لإرشادات الشركة المصنعة ، عادةً باستخدام معيار مرجعي. تشمل الصيانة الحفاظ على نظافة المستشعر ، والتحقق من التسريبات ، وضمان أن تظل الاتصالات آمنة وخالية من التآكل.
[1] https://www.sameskydevices.com/blog/an-overview-of-pressure-sensors
[2] https://superiorsers.com/how-do-pressure-sensors-work/
[3] https://www.variohm.com/news-media/technical-blog-archive/working-principle-of-a-pressure-sensor
[4] https://www.dwyeromega.com/en-us/resources/pressure-transducers-how-it-works
[5] https://my.avnet.com/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/
[6] http://www.valcom.co.jp/english/product/pse/principle/
[7] https://nz.rs-online.com/web/content/discovery/ideas-and-advice/pressure-sensors-guide
[8] https://patents.google.com/patent/wo2016192409a1/zh
[9] http://www.valcom.co.jp/english/product/pse/line/
[10]
[11] https://huggingface.co/datasets/huangxb1998/dataset_08_29/viewer/default/train؟p=10
