ترانسدیوسر

مقصود از به کار گیری یک سیستم اندازه گیری و کنترل، اطمینان از ارتباط تنگاتنگ ما بین خروجی واقعی سیستم و خروجی دلخواه و یا مورد نظر است. خروجی واقعی، متغیر فرآیند و خروجی دلخواه نقطه تنظیم نامیده می شود. کوشش ریاضی، الکترونیکی و هزینه زیادی برای اطمینان از کارائی مناسب سیستم های اندازه گیری و کنترلی انجام می شود؛ هر چند، بدون وابستگی به اینکه طراحی ریاضی چگونه بوده و مدار الکتریکی چگونه پیاده سازی میشود، کنترل نهایی بهتر از درک سیستم از متغیر های فرایند نخواهد بود. بنابراین کیفیت اندازه گیری متغیر هائی که کنترل می شوند، تعیین کننده نهائی کارائی کلی سیستم است. این موضوع خیلی مهم است که اصول فیزیکی، را که حسگر ها و ترانسدیوسر ها بر اساس آن پارامترهائی همچون (حرارت، نیرو، موقعیت و…) را به مقادیر الکتریکی تبدیل م یکنند، درک کنیم؛ و از سوی دیگر، به همان اندازه توانائی خواندن و تفسیر مشخصات تولید کنندگان دستگاهها مهم می باشد. یکی از نکات اولیه، انتخاب صحیح حسگرها و ترانسدیوسر ها، از نقطه نظر های دقت، قدرت تشخیص، خطی بودن، قابلیت تکرار پذیری و سرعت پاسخ، با توجه به احتیاجات سیستم است. حسگر و یا ترانسدیوسری که بدقت انتخاب نشده باشد، م یتواند کارائی سیستم را تحت الشعاع قرار دهد. بعبارت دیگر نم یتوان پروسه ای را دقیق تر از دقت و صحت مقادیر حاصل از اندازه گیری اش، کنترل کرد. بعنوان مثال، انتخاب و استفاده از یک ترانسدیوسر دما با محدوده کاری از ۴۰۰ + تا ۱۰۰ – درجه فارنهایت و ۰٫۰۱ برای کنترل درجه حرارت منزل، منطقی نیست. اول به تعاریف پارامتر های مورد استفاده برای مشخص نمودن اینکه یک حسگر و یا ترانسدیوسر به چه خوبی و با چه سرعتی عمل تبدیل مقادیر انداز هگیری شده به خروجی الکتریکی را انجام م یدهد، می پردازیم. بایستی اطمینان حاصل شود که تفسیر این پارامتر ها مشابه با طریقی باشد که تولید کننده آنها ارائه داده است.
مشخصه های ترانسدیوسر
عمل یک ترانسدیوسر، تبدیل یک کمیت فیزیکی به یک سیگنال الکتریکی می باشد. معمول ترین کمیت های اندازه گیری شده توسط ترانسدیوسر ها، موقعیت، نیرو، سرعت، شتاب، فشار، سطح، جریان مایعات و درجه حرارت هستند. خروجی ترانسدیوسر ها معمولاً ممکن است، ولتاژ، جریان، مقاومت، ظرفیت خازنی و یا فرکانس باشد. اینکه خروجی ترانسدیوسر در پاسخ به یک تغییر در پارامتر فیزیکی ورودی اش با چه نزدیکی و با چه سرعتی تغییر می کند. کلید اصلی مو فقیت در کنترل سیستم ها می باشد. کارائی حسگر ها و ترانسد یوسرها، بوسیله تولید کننده های آنها بصورت دو دسته مشخصه اعلام، تعریف و گارانتی می شوند. مشخصه های کارآئی استاتیکی، تعریف رابطه حالت پایدار بین پارامتر فیزیکی در ورودی و خروجی الکتریکی هستند. دقت حساسیت و یا قدرت تشخیص و تفکیک، قابلیت تکرار پذیری، خطی بودن و پسماند (Hysteresis) همگی مشخصه های استاتیکی هستند. مشخصه های کارآئی دینامیکی، تعریفی از این موضوع هستند که خروجی با چه سرعتی در پاسخ به تغییرات در ورودی عکس العمل و یا پاسخ نشان میدهد. زمان جهش،(Rise Time) ثابت زمانی (Time Constant) زمان مرده (Dead Time) پاسخ فرکانسی، (Frequency Response) و پارامتر های درجه دوم شامل میرایی، فرکانس رزونانس، زمان قرار (Settling time) و درصد اورشوت و…. همگی مشخصه های دینامیکی هستند و برای تشریح کارآئی دینامیکی مبدلها مورد استفاده قرار میگیرند. مشخصه های استاتیکی برای تعیین مشخصه های استاتیکی یک ترانسدیوسر، عملیات تنظیم (Calibration) انجام میشود. این آزمایشی است که برای انجام آن، مقادیر معلوم و اندازه گیری شده ای به ترانسدیوسر اعمال و خروجی های مرتبط با آنها، در یک جدول یا در یک نمودار ثبت می شوند. معمولاٌ، عملیات تنظیم، توسط واحد کنترل کیفیت و بر روی تعدادی نمونه از ترانسدیوسرهای تولید شده انجام میگیرد. دو نکته دیگر هم وجود دارند، که بایستی در خصوص تنظیم دستگاه رعایت شوند. از صحت ورودی اعمال شده بایستی اطمینان داشته باشیم. معمولاً این بدان معنی است که خود ورودی کالی بره ش ده است و مدار کی دال بر اینکه مقدار آن با استاندارد تعیین شده توسط اداره بین المللی استاندارد همخوانی دارد، موجود باشد. تا زمانی که دقیقاً مشخص شده باشد که عملیات تنظیم، مربوط به تعیین مشخصات استاتیکی است. پس از اعمال کمیت به ورودی، بایستی پس از ثابت شد ن هرگونه تغییرات در خروجی آنرا ثبت نمود. بعبارت دیگر زمانیکه خروجی بطور کامل به تغییر در کمیت ورودی پاسخ داد و پایدار شد،بایستی مقدار خروجی ثبت بشود.
دقت یکی از مشخصه های استاتیکی است که، بیشتر از دیگر مشخصه ها مورد استفاده درست و نادرست قرار می گیرد. عملاً دقت بصورت درصد خطا مشخص می شود. خطا اختلاف بین مقدار صحیح (درست) خروجی ترانسدیوسر و مقدار خروجی عملی آن است ؛ اما معمولاٌ دقت بصورت درصد خطا تعریف می شود. سوال مهم این است که، درصد چه چیزی؟. برای جواب به این سئوال سه پاسخ مختلف وجود دارد. دقت ممکن است بصورت درصدی از مقیاس کامل خروجی،(%FSO) بصورت درصدی ازمقدار خوانده شده (Measured Value) ویا بصورت خطای مطلق (Absolute Error) بیان شود. صحت (Percision) حساسیت و یا قدرت تفکیک پذیری(Resolution): کوچکترین تغییر در ورودی ترا نسد یوسر است که باعث تغییر در خروجی می شود. این مقدار ب ه شما می گوید که تا چه اندازه نزدیک می توانید ورودی را اندازه گیری کنید.اینکودر نوری شکل زیر دارای چهار سوراخ است. هر زمان محور ۱/۴ دور بچرخد پرتو نور برای مدت کوتاهی به گیرنده نوری تابیده می شود. این موضوع تولید یک پالس می کند، که می تواند شمرده شود. تعداد پالس های شمارش شده، معین کننده مقداری است که محور چرخیده است. در این نمایش ساده قبل از آنکه خروجی (مقداری که نمایش داده می شود) یک شماره عوض شود، محور بایستی ۹۰ درجه بچرخد. بنابراین این اینکودر دارای یک رزولوشن ۹۰ درجه است. اینکودرهای نوری صنعتی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ پالس در هر دو ر چرخش تولید می کنند. اینکودر نوری ساده از کامپیوتر در کنترل فرایندهای صنعتی بطور وسیعی استفاده می شود. تعداد بیت های تو لید شده بوسیله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) تعیین کننده قدرت تفکیک نهائی اندازه گیری به عمل آمده می باشد. قدرت تفکیک یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مساویست با Resolution = 1/2n که در آن n تعداد بیت های یک عدد باینری است. بنابراین یک مبدل ۸ بیتی می تواند قدرت تشخیص یک در ۲۸ یا ۲۵۶ داشته باشد. یک مبدل ۱۰ بیتی می تواند یک سیگنال آنالوگ را به ۱۰۲۴ تقسیم کند. به همین ترتیب یک مبدل ۱۲ بیتی، قدرت تفکیک برابر با ۴۰۹۶ دارد. تکرار پذیری (Repeatability): نشان دهنده این است که تا چه اندازه مقدار خروجی یک ترانسدیوسر،در پاسخ به چندین بار اعمال یک ورودی تغییر می کند و در واقع به مقدار اصلی خود بر می گردد. هیسترزیس Hysteresis: نشانه ای از قابلیت تکرار خروجی ترانسدیوسر است. ممکن است ورودی در روند افزایشی، خروجی متفاوتی نسبت به وقتیکه ورودی روند کاهشی را طی می کند تولید کنند. به همین دلیل دو سری عملیات تنظیم کردن انجام می شوند؛ یکی برای حالت افزایشی و دیگری برای حالت کاهشی. خاصیت خطی بودن (Linearity): سه روش معمول برای تعیین خاصیت خطی بود ن عبارتند از: خطی بودن نقاط انتهائی، خطی بودن خطوط مستقیم غیر وابسته و روش کمترین مربعات (که بهترین تشابه و یا خطی سازی حدی نیز خوانده می شوند). برای حالت خطی بودن نقاط انتهائی، یک خط مستقیم بین دو نقطه انتهائی منحنی کالیبراسیون رسم می کنیم. اگر از مقادیر تئوری صفر و درجه بندی کامل ورودی و خروجی استفاده شود، عدد نتیجه شکل خطی تئوری نامیده می شود. مشخصات دینامیکی تمام مشخصه هائی که در قسمت قبل ارائه شدند مشخصه های استاتیکی بودند. ورودی به ترانسدیوسر اعمال شده اجازه داده می شد تا سیستم پاسخ داده و پایدار شود و سپس خروجی اندازه گیری می شد. در حقیقت، اگر ترانسدیوسر وقتی که مقادیر را ثبت می کنیم پاسخ کامل نداده باشد، داده های اشتباهی بدست خواهند آمد. هر چند، به ندرت ترانسدیوسر ها در یک وضعیت استاتیک مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از استفاده از ترانسدیوسر آن است که تغییرات ورودی اش را احساس نموده و آنها را به کنتر ل کننده ای که کارائی سیستم را کنترل می کند تحویل دهد. بنابراین اینکه ترانسدیوسر با چه سرعتی به تغییرات ورودی اش پاسخ می دهد، اهمیت دارد. به این مشخصه ها پاسخ های دینامیکی گفته می شود.عملکرد دینامیکی یک ترانسدیوسر را می توان به دو طریق تشری ح نمود. پاسخ ترانسدیوسر به تغییر پله در وردی اش، بوسیله زمان جهش، ثابت زمانی، و زمان مرده تعریف می شود.اگر ترانسدیوسر دارای مشخصه ای از نوع درجه دوم باشد، ضریب میرایی، فرکانس رزونانس و زمان پا سخ یا درصد جهش ممکن است داده شوند. نوع دوم مشخصه های دینامیکی بصورت پاسخ ترانسدیوسر به ورودی سینوسی تعریف می شود. ممکن است منحنی پاسخ فرکانس و فرکانس قطع بالا مشخص بشوند.
انواع ترانسدیوسر
ترانسدیوسرهای موقعیت تعیین موقعیت یک جسم در غالب سیستم های کنترل از اهمیت زیادی برخودار است. بعنوان مثال دستگاههای اتوماتیک نصب قطعات با استفاده از روبات ها، نیاز به تعیین دقیق موقعیت دارند. دستگاههای تراش، فرم دادن و سوراخ کردن قطعات ماشین همانند حرکت هد یک دیسک درایو کامیپوتر و یا حرکت قلم در یک دستگاه رسم احتیاج به کنترل و بنابراین اندازه گیری موقعیت دارند. کنترل ضخامت یک فیلم و یا مقدار افزایش ابعاد یک قطعه در اثر حرارت، احتیاح به اندازه گیری موقعیت با قدرت تشخیص خیلی کمتر از یک میلی متر دارد. بررسی فوندانسیون یک ساختمان چند طبقه نیز احتیاج به اندازه گیری جابجائی با دقت های مشابه اما در بازه چند صد متر خواهد داشت. در جهان تکنیک، دانستن موقعیت، یک پارامتر بسیار مهم بشمار می آید. تکنیکهای اندازه گیری موقعیت متفاوت هستند. در این درس با سه تکنیک آشنا خواهید شد. اول پتانسیومتر ها که ارزان قیمت بوده و استفاده از آ نها آسان است، دوم ترانسفور مرهای دیفرانسیلی خطی (LVDT) که برای آشکار سازی جابجائ یهای خیلی کوچک مورد استفاده هستند، و سوم اینکودرهای نوری که دارای عمر خیلی بالایی بوده و در عین حال بسادگی به کامپیوت ر متصل می شوند. ترانسدیوسر تغییر مکان بروش القائی(Variable Inductance Transducer) اصول کار سنسورهاو یا ترانسدیوسرهای القائی در شکل های زیر بوضوح نشان داده شده است. این نوع وسیله در دو نوع ساخته میشود و دارای یک عدد سیم پیچ هستند.در حالت ویا مورد اول سیم پیچ به دور محور وسطی قاب E شکل پیچیده شده است و حرکت صفحه مقابل قاب فوق میزان فلوی مغناطیسی حاصله در آنرا تغییر میدهد و موجب تغییر جریان عبوری در سیم پیچ میگردد. در حالت و یا مورد دوم سیم پیچ به دو قسمت مساوی تقسیم شده است و هسته آهنی در بین این سیم پیچ حرکت میکند؛ که در حالت وسط خروجی صفر است. در حقیقت دو قسمت تقسیم شده، سیم پیچ دو بازو و یا دو عضو از یک پل مغناطیسی را تشکیل میدهند. ترانسدیوسر تغییر مکان بروش ظرفیت متغیر (خازنی) اصول کار سنسورهاو یا ترانسدیوسرهای خازنی در شکل های زیر بوضوح نشان داده شده است. (Variable Capacitive Transducer). همانگونه که در شکلها مشخص شده میزان تغییر مکان جسم مورد نظر به یک صفحه (جوشن) خازن اعمال میشود و نتیجتاٌ میزان ظرفیت با تغییر مکان صفحه خازن تغییر میکند. در نمونه اول تغییر مکان جسم مورد نظر به سیلندر داخلی خازن اعمال میگردد. در نمونه دوم تغییر مکان به صفحه متحرک خازن اعمال شده. استرین گیج(Strain Guage) استرین گیج ها در حقیقت مقاومتی هستند که بواسطه اعمال کشش تغییر مقاومت الکتریکی در آنها پدید میاید. فاکتوری تحت عنوان گیج رابطه بین ورودی و خروجی این وسایل را تعیین میکند که بصورت زیر تعریف شده؛ که در آن R میزان تغییرات در مقاومت و S تغییرات در کشش استرین گیج میباشد. استرین گیج ها بر روی یک صفحه قابل انعطاف چسبانیده میشوند و کاربرد وسیعی در صنعت دارند. Gauge factor= delta(R)/deltaS شکل اول نمایانگر استرین گیج میباشد. استرین گیج ها عمدتاٌ برای تعیین تغییر مکان های کوچک بکار میروند که نحوه نصب و استفاده از انها در شکل دوم نشان داده شده ؛ برای تعیین تغییر مکانهای زیاد مکانیسم ارائه شده در حالت سوم مورد استفاده قرار میگیرد. در این حالت تغییر مکان بیک گوه (Wedge) منتقل و با جدا شدن دو میله تعبیه شده از یکدیگر تغییر مقاومت استرین گیج های تعبیه شده بر روی میله ها میزان تغییر مکان اعمال شده به دستگاه را مشخص میکند. ترانسدیوسرهای نیرو در کنترل ن یرو و سرو سیستم ها اندازه گ یری نیرو خ یلی اهم ی ت دارد. رشته خاص ی از مهندس ی (آنا لیز عملی تنش) برای محاسبه ن یروهای اعمال شده به قسمتها ی مختلف ماشین و یا وسایل نقلیه بوجود آمده است. اندازه گیری دقیق نیرو، طر احی ماشینها (شامل اتومبیل ها و وسایل نقلیه فضایی) سبک تری را میسر می سازد. همچنین می توان به بهره بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر و قیمت کمتر و از سوی دیگر، به کارایی بالاتری نیز برای این ماشین ها رسید. با اندازه گیری نیرو می توان مقدار پارامتر هایی را که امکان اندازه گیری مستقیم آنها وجود ندارد، به دست آورد. در میدان ثقل زمین، نیرو اندازه ای از جرم ماده است. بنابراین می توان از ترانسدیوسرهای نیرو برای تعیین وزن، مقدار ماده موجود در یک تانک و سطح آن استفاده کرد.فشار یکی از پارامتر های کلیدی در سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک است. فشار مساویست با نیرو در واحد سطح است، بنابراین تکنیکهای اندازه گیری نیرو غالباً برای اندازه گیری فشار نیز استفاده میشوند. فشار در سطح یک روزنه، نشان دهنده سرعت مایعی است که از داخل آن روزنه عبور می کند. بنابراین ترانسدیوسر های نیرو برای اندازه گیری جریان (Flow) نیز استفاده میشوند.
0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *


شش + = دوازده