وجهات النظر: 222 المؤلف: ليا النشر الوقت: 2025-04-23 الأصل: موقع
قائمة المحتوى
● فهم أجهزة استشعار القوة عالية الدقة
● المواد الرئيسية المستخدمة في أجهزة استشعار القوة عالية الدقة
>> المعادن: الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والسبائك
>> أشباه الموصلات والمواد الكهروإجهادية
>> المواد المتقدمة والجديدة: الهياكل 1D و 2D و 3D
● تصميم وبناء أجهزة استشعار قوة التوتر وضغط
● الاختبار والمعايرة وطول العمر
● التحديات والابتكارات في مواد أجهزة الاستشعار
● الاتجاهات المستقبلية في مواد مستشعر القوة عالية الدقة
● خاتمة
>> 1. ما هو الفرق الرئيسي بين أجهزة استشعار قوة التوتر وأجهزة استشعار قوة أجهزة استشعار القوة؟
>> 2. لماذا يفضل الفولاذ المقاوم للصدأ لمستشعرات قوة التوتر عالية الدقة وقوة الضغط؟
>> 3. كيف تعمل أجهزة استشعار قوة الضغط المستندة إلى المقياس؟
>> 5. هل يمكن استخدام أجهزة استشعار قوة التوتر وضغط في البيئات القصوى؟
تعد أجهزة استشعار القوة عالية الدقة العمود الفقري لتكنولوجيا القياس الحديثة ، مما يتيح القياس الدقيق للقوى في المجالات المتنوعة مثل الروبوتات والفضاء والفضاء والسيارات والأجهزة الطبية والأتمتة الصناعية. من بين هذه ، تعتبر أجهزة استشعار قوة التوتر وضغط حيوية بشكل خاص ، حيث تقيس كل من السحب (التوتر) ودفع (الضغط) بقوى استثنائية. ولكن ما الذي يجعل هذه المستشعرات دقيقة للغاية؟ تكمن الإجابة في بنائها ، وخاصة اختيار المواد وتقنيات الاستشعار الأساسية.
أجهزة استشعار القوة عالية الدقة هي أجهزة مصممة لاكتشاف وقياس حجم القوة المطبقة عليها ، وغالبًا ما يكون لهوامش خطأ منخفضة للغاية. في أجهزة استشعار قوة التوتر والضغط ، يتمثل الهدف في قياس كل من قوى التمدد والضغط التي تعمل على طول محور واحد.
هذه المستشعرات ضرورية في التطبيقات التي يمكن أن تؤدي فيها عدم الدقة البسيطة إلى مشكلات مهمة ، كما هو الحال في الجراحة الآلية ، أو اختبار الفضاء ، أو مراقبة الجودة الصناعية. يعتمد أداء هذه المستشعرات على عدة عوامل:
- الدقة: قرب القيمة المقاسة للقيمة الحقيقية.
- القرار: أصغر تغيير في قوة المستشعر يمكن أن يكتشف.
- التكرار: قدرة المستشعر على توفير قراءات متسقة في ظل ظروف مماثلة.
- المتانة: القدرة على تحمل التحميل المتكرر والبيئات القاسية.
في قلب هذه الخصائص هو الاختيار المادي - سواء لجسم المستشعر وعناصر الاستشعار.
قبل فحص المواد ، من الأهمية بمكان فهم تقنيات الاستشعار الرئيسية المستخدمة في أجهزة استشعار القوة عالية الدقة:
- أجهزة استشعار مقياس الإجهاد: استخدم رقائق معدنية رقيقة أو أسلاك تغير المقاومة عند تمديدها أو مضغوطة. الأكثر شيوعا لمستشعرات قوة التوتر وضغط.
- أجهزة استشعار كهروضوئية: توظيف بلورات (مثل الكوارتز) التي تولد شحنة كهربائية تحت الضغط الميكانيكي.
- أجهزة الاستشعار السعودية: اكتشف القوة عن طريق قياس التغيرات في السعة بين الألواح الموصلة لأنها تقترب عن قرب أو أبعد من ذلك تحت الحمل.
- أجهزة استشعار piezoresistive: استخدم مواد أشباه الموصلات التي تتغير مقاومتها تحت التشوه الميكانيكي.
- أجهزة الاستشعار البصرية والمغناطيسية: الاعتماد على التغييرات في الخواص الخفيفة أو المغناطيسية بسبب القوة ، وغالبًا ما تكون للتطبيقات المتخصصة أو المصغرة.
كل تقنية تستفيد من خصائص المواد المختلفة لزيادة الحساسية والاستقرار والموثوقية.
تعد المعادن المواد الهيكلية الأكثر شيوعًا لأجهزة استشعار القوة عالية الدقة ، وخاصة بالنسبة لأجهزة استشعار قوة التوتر وضغط. خصائصها الميكانيكية - قولها ، مرونة ، ومقاومة التشوه - أمر بالغ الأهمية للقياسات الدقيقة والقابلة للتكرار.
- الفولاذ المقاوم للصدأ: المعيار الذهبي لأجهزة استشعار القوة عالية الدقة. يقدم:
أ. قوة عالية وتصلب
ب. مقاومة تآكل ممتازة
ج. الاستقرار طويل الأجل ، حتى في البيئات الصناعية القاسية
د. مدى ملاءمة قياس القوة الثابتة والديناميكية
- الألمنيوم: يستخدم في بعض أجهزة الاستشعار لخصائصه الخفيفة وسهولة الآلات. ومع ذلك ، فهو أقل ملاءمة للتطبيقات الدائمة أو عالية التحميل بسبب ارتفاع الزحف والاستقرار على المدى الطويل مقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ.
- سبائك عالية القوة: يمكن استخدام السبائك المخصصة للتطبيقات المتخصصة التي تتطلب توازنًا في القوة والوزن ومقاومة التآكل. على سبيل المثال ، يتم اختيار السبائك القائمة على النيكل وسبائك التيتانيوم لخصائصها الميكانيكية الاستثنائية ومقاومة التعب.
الجدول: مقارنة المعادن المشتركة في أجهزة استشعار القوة
| مادة | قوة | تآكل مقاومة | التآكل | ملاءمة للدقة العالية |
|---|---|---|---|---|
| الفولاذ المقاوم للصدأ | عالي | ممتاز | واسطة | ممتاز |
| الألومنيوم | واسطة | جيد | قليل | جيد (تطبيقات محدودة) |
| سبائك | يختلف | يختلف | يختلف | تطبيق خاص |
- السيليكون: يستخدم على نطاق واسع في أجهزة استشعار القوة piezoresive ، وخاصة في أجهزة Miniature و MEMS. الخصائص الكهربائية للسيليكون تجعلها مثالية لاكتشاف التغييرات الدقيقة في المقاومة بسبب القوة. يضمن هيكلها البلوري أداءً ثابتًا على مقياس النانو الصغير.
- الكوارتز: المادة الأولية في أجهزة استشعار قوة كهروضوئية. تولد بلورات الكوارتز جهد قابلة للقياس عندما تشوه ميكانيكيًا ، مما يتيح قياسات القوة الحساسة والديناميكية للغاية. يتم تقدير الكوارتز لاستقرارها وتكرارها على نطاق واسع من درجات الحرارة.
- السيراميك الكهروضوئية الأخرى: مواد مثل تيتانات الزركونات الرصاصية (PZT) شائعة أيضًا في أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية لاستجابةها الكهروإجهادية القوية. يمكن تصميم هذه السيراميك لاستجابات وتردد محددة ، مما يجعلها مناسبة لقياس القوة الديناميكية.
مع التقدم في تقنية النانو ، يتم دمج المواد الجديدة في أجهزة استشعار قوة الحساسية:
- المواد 1D: الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والأسلاك النانوية ، والتي توفر حساسية استثنائية بسبب خصائصها الكهربائية والميكانيكية الفريدة. CNTs ، على سبيل المثال ، يمكن أن تكتشف تشوهات صغيرة للغاية ، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للغاية.
- المواد ثنائية الأبعاد: الجرافين والمعادن dichalcogenides (مثل mos₂) ، والتي هي رقيقة من الناحية الذرية وحساسة للغاية للتشوه. يحتوي الجرافين ، على وجه الخصوص ، على معامل الشباب العالي والتوصيل الكهربائي المتفوق ، مما يجعله مادة واعدة لأجهزة استشعار قوة الجيل التالي.
-المواد ثلاثية الأبعاد: الهياكل النانوية المصممة والماس أحادي البلورة ، وتستخدم في أجهزة استشعار متخصصة لبيئات عالية أو بيئات متطرفة. على سبيل المثال ، يتم تقدير Diamond من أجل صلابةها الشديدة والتوصيل الحراري ، والتي يمكن أن تكون مفيدة في التطبيقات ذات درجة الحرارة العالية أو عالية الحرارة.
توجد هذه المواد المتطورة في المقام الأول في تطبيقات البحث أو المتخصصة حيث لا يمكن للمعادن التقليدية تقديم الأداء المطلوب.
تستخدم بعض أجهزة استشعار القوة عالية الدقة مواد مركبة ، تجمع بين المعادن والبوليمرات أو السيراميك أو الألياف المتقدمة لتحقيق توازن بين القوة والمرونة والحساسية. يمكن تصميم هذه المركبات لتلبية الاحتياجات المحددة ، مثل تقليل التمدد الحراري أو تعزيز مقاومة التعب.
على سبيل المثال ، يمكن استخدام البوليمرات المقوى بالألياف في تطبيقات الطيران حيث تكون توفير الوزن أمرًا بالغ الأهمية ، في حين أن المركبات المعدنية الخزفية يمكن أن توفر متانة ومقاومة للارتداء في البيئات الصناعية.
يعد التصميم الميكانيكي لمستشعر قوة التوتر والضغط أمرًا بالغ الأهمية مثل مواده. الأكثر شيوعا:
- الحجاب الحاجز أو عنصر الزنبرك: الهيكل الأساسي الذي يتشوه تحت الحمل ، مصنوع عادة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبيكة عالية القوة. تم تحسين الهندسة لضمان تشوه يمكن التنبؤ به وخطي تحت كل من التوتر والضغط.
- مقاييس الإجهاد: رقائق معدنية رقيقة أو الأسلاك (غالبًا ما تكون سبائك كونستانتان أو نيكل كروميوم) مرتبطة بعنصر الربيع. تتغير مقاومتها مع التشوه ، وتشكل قلب مستشعر مقياس الإجهاد. يتم أيضًا اختيار عملية الترابط والمواد اللاصقة بعناية لضمان الاستقرار على المدى الطويل والحد الأدنى من الزحف.
- دائرة جسر الحجر: يتم ترتيب أربعة مقاييس الإجهاد في تكوين الجسر لزيادة الحساسية وتعويض تأثيرات درجة الحرارة. يساعد هذا التكوين في إلغاء تأثير التغيرات في درجة الحرارة ويوفر قياسًا تفاضليًا لتحسين الدقة.
- الإسكان: يوفر حماية البيئة ، وغالبًا ما يكون مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ من أجل المتانة وحماية الدخول (على سبيل المثال ، تصنيف IP65). في بعض الحالات ، يتم استخدام الختم المحكم لحماية المكونات الحساسة من الرطوبة والغبار والمواد الكيميائية.
- مواد الكابلات والموصل: اختيار عزل الكابل ومواد الموصل مهم أيضًا ، خاصة في البيئات القاسية. تعد السيليكون والبولي يوريثان و Teflon خيارات شائعة لمرونتها ومقاومتها للمواد الكيميائية.
غالبًا ما تملي بيئة التشغيل اختيار المواد:
- بيئات تآكل أو رطبة: الفولاذ المقاوم للصدأ مفضل لمقاومة التآكل. بالنسبة للبيئات الأكثر قسوة ، قد تكون مغلفة أجهزة الاستشعار بطبقات واقية إضافية أو تم إنشاؤها من سبائك متخصصة.
- غرف نظيفة أو فراغ: قد تستخدم أجهزة الاستشعار سبائك أو الطلاءات الخاصة لمنع التلوث والانجذاب. يجب اختيار المواد لتقليل توليد الجسيمات والتفاعل الكيميائي.
- درجات حرارة عالية: يجب أن تحافظ المواد على الاستقرار والحساسية دون انجراف. يمكن استخدام سبائك درجات الحرارة العالية أو السيراميك أو حتى الياقوت في الحالات القصوى.
- تطبيقات مصغرة أو مرنة: يتم استخدام مواد متقدمة مثل السيليكون أو الجرافين أو المركبات في حجمها الصغير وخصائصها الفريدة. أجهزة استشعار القوة المرنة ، على سبيل المثال ، قد تستخدم ركائز البوليمر المدمجة مع المواد النانوية الموصلة للتطبيقات الطبية التي يمكن ارتداؤها.
أمثلة التطبيق:
- الأتمتة الصناعية: أجهزة استشعار قوة الفولاذ المقاوم للصدأ القوية وضغوط أجهزة استشعار قوة الضغط أو الانضمام أو القوى الروبوتية.
- الأجهزة الطبية: توفر أجهزة استشعار مصغرة أو مستشعرات مركبة حساسية عالية في المساحات المدمجة ، كما هو الحال في الأدوات الجراحية الغازية الحد الأدنى.
- Aerospace: أجهزة استشعار مع سبائك أو مركبات متقدمة تحمل درجات الحرارة والاهتزازات القصوى ، مما يضمن الموثوقية في أنظمة الطيران الحرجة.
يعتمد أداء أجهزة استشعار القوة عالية الدقة ليس فقط على اختيار المواد ولكن أيضًا على الاختبار الصارم والمعايرة. عادة ما يخضع كل مستشعر ل:
- اختبار الحمل الثابت والديناميكي: يضمن الاستشعار يستجيب بدقة لكل من القوى المستمرة والمتغيرة بسرعة.
- دراجات درجة الحرارة: يتحقق من أن المستشعر يحافظ على دقة عبر نطاق درجة الحرارة المحدد.
- اختبار الزحف والتعب: يقيم الاستقرار والمتانة على المدى الطويل في ظل دورات التحميل والتفريغ المتكررة.
يتم إجراء المعايرة باستخدام معايير يمكن تتبعها ، ويتضمن العديد من أجهزة الاستشعار الراقية بيانات معايرة مدمجة أو خوارزميات تعويض درجة الحرارة. يرتبط طول طول استشعار قوة التوتر والضغط مباشرة بجودة مواده ودقة عمليات التصنيع الخاصة به.
أحد التحديات الرئيسية في تصميم أجهزة استشعار القوة هو التعب المادي - الضعف التدريجي للمادة بسبب الإجهاد المتكرر. يتم اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك عالية القوة لمقاومة التعب الممتازة ، ولكن حتى هذه المواد يمكن أن تتحلل بمرور الوقت إن لم تكن مصممة بشكل صحيح.
الزحف-التشوه البطيء الدائم للمادة تحت الحمل المستمر-هو مصدر قلق آخر ، خاصة في أجهزة الاستشعار القائمة على الألومنيوم والبوليمر. تم تصميم السبائك والمركبات المتقدمة لتقليل الزحف ، مما يضمن دقة طويلة الأجل.
يشير التباطؤ إلى الفرق في خرج المستشعر عند تطبيق القوة ثم إزالته. تساعد المواد عالية الجودة والتصنيع الدقيق على تقليل التباطؤ ، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب التكرار العالي.
يمكن أن تتسبب التغيرات في درجة الحرارة في توسيع المواد أو تعاقدها ، مما يؤثر على قراءات المستشعر. يساعد استخدام المواد ذات المعاملات المنخفضة للتوسع الحراري ، وكذلك دوائر تعويض درجة الحرارة ، في الحفاظ على الدقة في بيئات مختلفة.
شهدت السنوات الأخيرة تطورات كبيرة في علوم المواد ، مما أدى إلى:
- تطوير المعادن الفائقة والسبائك مع الخصائص الميكانيكية المحسنة.
- إدخال المواد النانوية لتحسين الحساسية والتصغير.
- التصميمات الهجينة التي تجمع بين المعادن والسيراميك والبوليمرات للأداء المصمم.
سيتم تشكيل مستقبل أجهزة استشعار القوة عالية الدقة ، وخاصة أجهزة استشعار قوة التوتر والضغط ، من خلال الأبحاث المستمرة في علوم المواد والهندسة. تتضمن الاتجاهات الرئيسية:
-تكامل المواد الذكية: يتم استكشاف المواد التي يمكن أن تتكيف مع التغييرات البيئية ، أو توفير التعليقات في الوقت الفعلي لأجهزة استشعار الجيل التالي.
- زيادة استخدام المواد النانوية: مع تحسن تقنيات التصنيع ، فإن المواد النانوية مثل الجرافين وأنابيب الكربون النانوية ستصبح أكثر شيوعًا في أجهزة الاستشعار التجارية ، مما يتيح الحساسية والمرونة غير المسبوقة.
- الاستدامة والتأثير البيئي: هناك اهتمام متزايد بتطوير أجهزة استشعار من مواد قابلة لإعادة التدوير أو القابلة للتحلل ، وخاصة للأجهزة الطبية القابلة للتخلص منها والمراقبة البيئية.
- أجهزة استشعار لاسلكية ومرنة: الطلب على التكنولوجيا القابلة للارتداء والروبوتات الناعمة يقود تطوير أجهزة استشعار قوة مرنة وممتدة باستخدام البوليمرات المتقدمة والأحبار الموصلة.
ستعمل هذه الاتجاهات على توسيع قدرات وتطبيقات أجهزة استشعار قوة التوتر وضغط عبر الصناعات.
يتم تحديد دقة وموثوقية أجهزة استشعار القوة عالية الدقة-وخاصة أجهزة استشعار قوة التوتر والضغط-بشكل أساسي من خلال تكوينها المادي. لا يزال الفولاذ المقاوم للصدأ هو الخيار السائد لقوتها واستقرارها ومقاومة التآكل ، في حين أن الألومنيوم والسبائك عالية القوة تخدم احتياجات محددة. بالنسبة للتطبيقات المتطورة ، فإن أشباه الموصلات ، والبلورات الكهروضوئية ، والمواد النانوية المتقدمة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية تدفع حدود الحساسية والتصغير.
التأكد من الاختيار الدقيق ومجموعة من المواد ، جنبا إلى جنب مع الاختبارات الهندسية الدقيقة والتصميم ، ضمان أن هذه المستشعرات توفر قياسات دقيقة وقابلة للتكرار في البيئات الأكثر تطلبًا. مع تقدم التكنولوجيا ، سيستمر دمج المواد الجديدة والهياكل الهجينة في تعزيز أداء واستخدامات أجهزة استشعار القوة عبر الصناعات ، ودعم الابتكار في الأتمتة والرعاية الصحية والفضاء وما بعده.
تم تصميم أجهزة استشعار قوة التوتر والضغط خصيصًا لقياس كل من السحب (التوتر) وقوى الدفع (الضغط) على طول محور واحد. على عكس أجهزة استشعار القوة العامة ، التي قد تقيس القوة فقط في اتجاه واحد أو تستخدم مبادئ استشعار مختلفة ، يتم تحسين هذه المستشعرات لقياس القوة ثنائية الاتجاه ، مما يجعلها مثالية للتطبيقات مثل اختبار المواد والروبوتات والأتمتة الصناعية.
يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ مزيجًا فريدًا من القوة العالية ، ومقاومة تآكل ممتازة ، واستقرار طويل الأجل. تضمن هذه الخصائص أن المستشعر يحافظ على دقته ومتانته حتى في ظل التحميل المتكرر وفي البيئات القاسية ، وهو أمر ضروري لقياس قوة التوتر والضغط الموثوق.
تستخدم أجهزة استشعار مقياس الإجهاد رقائق معدنية رقيقة أو أسلاك مرتبطة بعنصر زنبرك. عند تطبيق قوة ، يتشوه العنصر ، مما يتسبب في تمديد مقاييس الإجهاد أو ضغطها. هذا يغير مقاومتها الكهربائية ، والتي يتم قياسها باستخدام دائرة جسر الحجر ويتم تحويلها إلى قراءة قوة دقيقة.
توفر الأنابيب النانوية للجرافين والكربون حساسية غير عادية بسبب سمكها الذري والخصائص الكهربائية الفريدة. تتيح هذه المواد تطوير أجهزة استشعار القوة الفائقة الفائقة ، التي تعتبر ذات قيمة خاصة في البحث العلمي والأجهزة الطبية والتقنيات الناشئة.
نعم ، مع اختيار المواد الصحيحة والإسكان الوقائي ، يمكن أن تعمل أجهزة استشعار قوة التوتر والضغط في الظروف القاسية ، بما في ذلك درجات الحرارة المرتفعة أو الأجواء المسببة للتآكل أو الفراغ أو الإعدادات العالية. عادةً ما تستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك المتخصصة لهذه التطبيقات ، في حين قد يتم استخدام الطلاء المتقدم أو الهياكل المركبة لحماية إضافية.
[1]
[2] https://www.bosche.eu/en/p/tension-and-cression-load-cell-f10n/100-300-11-46
[3] https://spj.science.org/doi/10.34133/adi.0019
[4] https://www.xsensors.com/en/sensor/force-sensor-x-137
[5] https://www.pcbpiezotronics.de/produkte_skript/downloads/marketing/pcb_kraft_poster_dina1.pdf
[6] https://www.kistler.com/int/en/strain-gauge-force-sensors/c00000157
[7] https://www.xsensors.com/en/sensor/tension-and-cression-force-sensor-x-136
[8] https://www.fms-technology.com/en/faq
[9] https://wobit.com.pl/en/artykul/5249/strefa-wiedzy/7-pytan-o-czujniki-sily-na-ktore-chcesz
[10]
[11] https://www.youtube.com/watch؟v=_6wmqnzeuzm
[12]
[13] https://www.interlinkelectronics.com/blog/the-factors-you-need-to-consider-when-choosing-a-force-sensing-solution
[14]
[15] https://haehne.de/en/force-measurement/tension-and-cression-force-sensors
[16] https://www.youtube.com/watch؟v=ZJ749QLBSQ0
[17] https://www.botasys.com/post/force-sensors
[18] https://www.nature.com/articles/S41377-024-01626-8
[19] https://www.bosche.eu/en/scale-components/force-sensors
[20] https://scaime.com/product/post/ms02
[21] https://www.botasys.com/post/force-sensors
[22] https://haehne.de/en/force-measurement
[23] https://www.tds-pp.com/en/news-archive
[24] https://www.me-systeme.de/en/k3d120-200n
[25] https://www.dsm-messtechnik.de/en/force-sensors/
[26] https://www.gtm-mbh.com/en/products/force-transducers
[27] https://www.lorenz-messtechnik.de/english/products/compression_tense.php
[28] https://haehne.de/en/force-measurement/tension-and-cression-force-sensors/tension-and-cressor-sensor-dk5
[29] https://mark-10.com/products/indicators-sensors/force-sensors/r01/
[30] https://www.wika.com/en-en/tense_compression_force_transducers.wika
[31] https://load-cells.org/gallery/
[32] https://loadcellmanufacturers.com/gallery/
[33] https://www.sensor-test.de/en/press/exhibitors-products/productnews/2706
[34] https://www.futek.com/force-sensor
[35] https://www.youtube.com/watch؟v=Chzckcrytnm
[36] https://www.hbkworld.com/en/products/transducers/force
[37] https://uol.de/f/5/inst/physik/ag/physikpraktika/download/gpr/pdf/e_sensoren.pdf؟v=1666712278
[38] https://www.me-systeme.de/en/da120
[39] https://www.sciendirect.com/science/article/abs/pii/S0263224125008413
[40] https://www.pcb.com/resources/faq/force-faq
[41] https://www.ati-a.com/library/documents/ft_faq.pdf
[42]
[43] https://www.strainsert.com/faq-on-force-sensor-calibration/
[44] https://www.smdsensors.com/resources/frequale-asked-questions-2/
[45] https://www.vernier.com/til/1429
[46] https://www.futek.com/calibration-services-faq
[47] https://www.wika.com/en-us/f2301_f23c1_f23s1.wika
[48] https://www.strainsert.com/faq-on-force-sensor-performance/
[49] https://tml.jp/e/knowledge/faq/strain_gauge.html
[50] https://tech.alpsalpine.com/e/products/faq/sensor-piezo/
[51] https://www.dwyeromega.com/en-us/resources/load-cell-faq
