مقدمه
در چشم انداز مدرن اتوماسیون صنعتی، مهندسی هوافضا، طراحی خودرو و لوازم الکترونیکی مصرفی، فشار یکی از متغیرهای فیزیکی است که اغلب اندازه گیری می شود. از کنترل دقیق مایع هیدرولیک در ماشین‌های سنگین گرفته تا سیستم‌های نظارت بر نفس{1} ظریف موجود در ونتیلاتورهای پزشکی، توانایی تعیین کمیت دقیق نیروی اعمال شده بر روی یک منطقه خاص بسیار مهم است. ابزار اصلی که وظیفه اجرای این ترجمه را بر عهده دارند، حسگرهای فشار هستند. این قطعات الکترونیکی بسیار تخصصی به عنوان اندام‌های حسی سیستم‌های خودکار عمل می‌کنند، استرس فیزیکی مکانیکی را تشخیص داده و آن را به یک سیگنال الکتریکی متناسب و پایدار تبدیل می‌کنند که می‌تواند توسط ریزپردازنده‌ها و سیستم‌های کنترل تفسیر شود.
انتخاب نوع مناسب فناوری برای یک کاربرد خاص، مستلزم بینش عمیق در فیزیک انتقال است. هیچ طراحی حسگر واحدی به طور جهانی در همه محیط ها قابل اجرا نیست. یک حسگر کاملاً مناسب برای نظارت بر تغییرات جوی ثابت در یک ایستگاه هواشناسی، اگر در داخل محفظه احتراق یک موتور جت یا در محیط خورنده یک کارخانه فرآوری شیمیایی مستقر شود، به طرز فاجعه‌باری از کار می‌افتد. طراحان و مهندسان سیستم با بررسی مکانیسم‌های اساسی، مزیت‌های ذاتی و محدودیت‌های عملیاتی سبک‌های مختلف حسگرهای فشار، می‌توانند ایمنی، کارایی را بهینه کرده و قابلیت اطمینان بلندمدت دارایی‌های تکنولوژیکی خود را تضمین کنند.
سنسورهای فشار پیزورزیستیو و فشار سنج
در میان پرکاربردترین فناوری‌ها در بازار جهانی، سنسورهای فشار پیزورزیستیو رویکردی بالغ و بسیار قابل اعتماد برای اندازه‌گیری نیرو را نشان می‌دهند. شالوده عملیاتی این فناوری بر اثر پیزومقاومتی استوار است، یک پدیده فیزیکی که در آن مقاومت الکتریکی یک ماده نیمه هادی زمانی که تحت فشار مکانیکی قرار می گیرد، به طور قابل توجهی تغییر می کند. در یک پیکربندی سنسور پیزومقاومتی معمولی، یک سری از مقاومت‌های میکرو{2}}ماشینکاری شده مستقیماً به یک دیافراگم انعطاف‌پذیر متصل می‌شوند یا پخش می‌شوند. هنگامی که سیال یا گاز فرآیند به این دیافراگم فشار وارد می کند، ماده کمی منحرف می شود و باعث می شود مقاومت های تعبیه شده کشیده یا فشرده شوند.
این تغییر شکل فیزیکی ساختار شبکه کریستالی داخلی مقاومت ها را تغییر می دهد و مستقیماً مقاومت الکتریکی آنها را تغییر می دهد. برای ثبت این تغییر مقاومت جزئی با حداکثر دقت، مهندسان معمولاً مقاومت ها را در پیکربندی الکتریکی پل وتستون کلاسیک ترتیب می دهند. هنگامی که یک ولتاژ تحریک خارجی به پل اعمال می شود، هر گونه تغییر جزئی در مقادیر مقاومت یک خروجی ولتاژ دیفرانسیل قابل اندازه گیری ایجاد می کند. این سیگنال خروجی آنالوگ به طور مستقیم با فشار فیزیکی اعمال شده بر دیافراگم سنسور متناسب است.
تکامل تولید نیمه‌رساناها امکان ایجاد سیستم‌های میکرو-الکترو-مکانیکی، که معمولاً به عنوان حسگرهای پیزومقاومتی MEMS شناخته می‌شوند را فراهم کرده است. این دستگاه‌های میکروسکوپی دارای دیافراگم‌های سیلیکونی هستند که در سطح ویفر حک شده‌اند، که مقیاس‌گذاری عظیم تولید، ردپای مینیاتوری استثنایی و هزینه‌های واحد فوق‌العاده پایین را ممکن می‌سازد. سنسورهای پیزورزیستیو به دلیل حساسیت بالا، خطی بودن عالی در محدوده عملکرد استاندارد و استحکام ساختاری ذاتی، در بخش‌های خودرو و لوازم الکترونیکی مصرفی بسیار ارزشمند هستند. با این حال، آنها آسیب پذیری مشخصی در برابر تغییرات حرارتی دارند. سیلیکون به تغییرات دما بسیار حساس است، که می تواند تغییرات مقاومت مصنوعی غیرمرتبط با فشار واقعی را ایجاد کند. در نتیجه، سازندگان باید مدارهای جبران دمای داخلی پیچیده یا پردازنده‌های سیگنال دیجیتال را برای اصلاح این رانش حرارتی و حفظ دقت اندازه‌گیری در محیط‌های نوسانی یکپارچه کنند.
سنسورهای فشار خازنی
هنگامی که یک برنامه نیاز به حساسیت شدید، به ویژه در آستانه فشار بسیار پایین دارد، حسگرهای فشار خازنی به عنوان یک انتخاب تکنولوژیکی استثنایی ظاهر می شوند. برخلاف دستگاه‌های مقاومتی که به کرنش مواد متکی هستند، حسگرهای خازنی بر اساس یک اصل صرفاً الکترواستاتیک کار می‌کنند. معماری داخلی یک حسگر خازنی استاندارد شامل دو صفحه فلزی موازی است که توسط یک شکاف کوچک و مهر و موم شده حاوی یک ماده دی الکتریک که اغلب هوا، خلاء یا گاز تخصصی است از هم جدا شده اند. یکی از این صفحات کاملاً سفت و ثابت باقی می ماند، در حالی که صفحه مقابل به عنوان یک دیافراگم بسیار انعطاف پذیر و بسیار نازک طراحی شده است که مستقیماً در معرض فشار فرآیند قرار دارد.
با تغییر فشار خارجی، دیافراگم انعطاف پذیر به صفحه ثابت نزدیکتر یا دورتر می شود. طبق قوانین الکترواستاتیک، ظرفیت الکتریکی یک سیستم صفحه موازی با فاصله جداکننده سطوح رسانا نسبت معکوس دارد. بنابراین، حتی یک انحراف زیر{3}}میکروسکوپی دیافراگم، تغییر قابل توجهی در ظرفیت کل ماژول حسگر ایجاد می کند. مدارهای نوسان ساز الکترونیکی با فرکانس بالا که در محفظه حسگر ادغام شده اند، به طور پیوسته این واریانس ظرفیت را کنترل می کنند و آن را به یک سیگنال خروجی ولتاژ یا فرکانس خطی و تمیز تبدیل می کنند.
مزیت اصلی حسگرهای فشار خازنی حساسیت و دقت قابل توجه آنها در محدوده‌های{0}فشار پایین است، مانند مواردی که در کنترل آب و هوای اتاق تمیز، ارتفاع سنج‌های فشارسنج و دستگاه‌های تنفسی پزشکی مشاهده می‌شود. از آنجایی که حسگرهای خازنی به کشش یک ماده جامد تا حدود فیزیکی آن متکی نیستند، قابلیت انعطاف پذیری فوق العاده مکانیکی در برابر فشار بیش از حد را دارند. اگر یک افزایش فشار شدید اتفاق بیفتد، دیافراگم انعطاف پذیر به سادگی روی صفحه ثابت سفت و سخت فشار می آورد بدون اینکه شکسته شود یا دچار رانش دائمی کالیبراسیون شود. علاوه بر این، از آنجایی که میدان‌های الکترواستاتیک انرژی حرارتی قابل‌توجهی تولید نمی‌کنند، حسگرهای خازنی انرژی الکتریکی بسیار کمی مصرف می‌کنند، که باعث می‌شود برای سیستم‌های تله متری از راه دور با باتری{3}} بسیار ارزشمند باشند. عیب اصلی مرتبط با حسگرهای خازنی، حساسیت آنها به تداخل فرکانس{5}الکترومغناطیسی و رادیویی خارجی است که در صورت نصب در نزدیکی موتورهای الکتریکی بزرگ یا فرستنده‌های رادیویی، نیاز به محافظت گسترده دارند.
سنسورهای فشار پیزوالکتریک
در بخش‌های صنعتی که رویدادهای فشار با سرعت انفجار و تلاطم شدید رخ می‌دهند، سیستم‌های اندازه‌گیری استاتیک کاملاً ناکافی هستند. مهندسان برای ثبت گذرای دینامیک، امواج ضربه‌ای و{1}}تپش‌های فرکانس بالا، تقریباً منحصراً به سنسورهای فشار پیزوالکتریک متکی هستند. این دسته منحصر به فرد از حسگرها از خواص ذاتی ساختارهای کریستالی طبیعی و مصنوعی مانند کوارتز، تورمالین یا سرامیک های فروالکتریک تخصصی بهره می برند. هنگامی که نیروی مکانیکی به این ماتریس‌های کریستالی وارد می‌شود، دوقطبی‌های الکتریکی داخلی به طور متقارن جابه‌جا می‌شوند و یک بار الکتریکی آنی در سراسر سطح ماده بدون نیاز به نیروی تحریک الکتریکی خارجی ایجاد می‌کنند.
مشخصه تعیین کننده اثر پیزوالکتریک ماهیت دینامیکی آن است. بار الکتریکی تولید شده توسط کریستال گذرا است. به محض اینکه فشار ثابت و ایستا شود، بار الکتریکی به طور طبیعی از طریق مقاومت داخلی سنسور و مدار تقویت کننده متصل از بین می رود. این بدان معنی است که یک سنسور پیزوالکتریک نمی تواند فشار ثابت و بدون تغییر، مانند فشار باد استاتیک داخل تایر خودرو را اندازه گیری کند. با این حال، هنگام اندازه‌گیری محیط‌هایی که به سرعت در حال تغییر هستند، زمان پاسخ آنها تقریباً-آنی است، با توانایی ثبت نوسانات فشار که در عرض میکروثانیه یا در فرکانس‌هایی که به صدها کیلوهرتز گسترش می‌یابند.
این قابلیت واکنش بیش از حد، حسگرهای پیزوالکتریک را در آزمایش‌های بالستیک، توسعه موتور موشک‌های هوافضا، و نظارت بر موتورهای احتراق داخلی در حین کار با سرعت بالا ضروری می‌سازد. آنها همچنین در برابر دماهای شدید بسیار انعطاف پذیر هستند، با سنسورهای کوارتز تخصصی که قادر به کار مداوم در محیط های بیش از چند صد درجه سانتیگراد هستند. پیچیدگی عملیاتی سیستم های پیزوالکتریک در فاز شرطی سازی سیگنال نهفته است. از آنجایی که بار الکتریکی تولید شده فوق‌العاده کوچک است، باید از تقویت‌کننده‌های شارژ با امپدانس بالا و کابل‌های تخصصی کم{6} برای محافظت از سیگنال خام در برابر تخریب قبل از تبدیل شدن به یک متریک دیجیتال استاندارد استفاده شود.
سنسورهای فشار نوری و تشدید
همانطور که صنعت مدرن به سمت مرزهای عملیاتی خطرناک،-فوق العاده دقیق و به شدت خراب می‌رود، مکانیسم‌های سنجش الکترونیکی استاندارد به محدودیت‌های فیزیکی سختی می‌رسند. برای زنده ماندن در جایی که سنسورهای معمولی از کار می افتند، سنسورهای فشار نوری و تشدید پیشرفته توسعه یافته اند. حسگرهای فشار نوری به طور کامل انتقال الکتریسیته به خط پروب حسگر را حذف می‌کنند و از نوری که از طریق کابل‌های فیبر{3}}نوری به عنوان حامل اصلی اطلاعات عبور می‌کند، استفاده می‌کنند. یکی از طراحی‌های رایج شامل ساختار فیبر براگ گریتینگ کوچکی است که در پشت یک دیافراگم حسگر انعطاف‌پذیر نصب شده است. همانطور که فشار دیافراگم را تحت فشار قرار می دهد، فیبر نوری را به صورت فیزیکی کشیده و فاصله میکروسکوپی درون توری را تغییر می دهد.
هنگامی که یک منبع نور باند پهن به سمت فیبر فرستاده می شود، توری تغییر یافته یک طول موج خاص و تغییر یافته از نور را به یک طیف سنج نوری منعکس می کند. از آنجایی که سیگنال کاملاً از فوتون‌های نوری تشکیل شده است، حسگرهای فشار نوری کاملاً در برابر تداخل شدید الکترومغناطیسی، برخورد صاعقه و میدان‌های الکتریکی با ولتاژ{{1}بالا مصون هستند. این انزوای مطلق، آنها را به بهترین انتخاب برای اکتشاف نفت و گاز، مناطق پرتابش{3}در تأسیسات تولید انرژی هسته‌ای، و اتاق‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی در مجتمع‌های پزشکی که در آن فلز و برق اکیداً ممنوع است، تبدیل می‌کند.
سنسورهای فشار تشدید، که گاهی اوقات به آنها سنسورهای نوسان سیلیکونی نیز گفته می شود، مسیر کاملا متفاوتی را به سمت دقت بالا طی می کنند. این دستگاه ها دارای یک پرتو سیلیکونی میکرو{1}}ماشینکاری شده هستند که به صورت مکانیکی در فرکانس تشدید طبیعی خود در داخل یک محفظه خلاء پشت دیافراگم فشار اصلی ارتعاش می یابد. هنگامی که فشار خارجی دیافراگم را تغییر شکل می دهد، تنش کششی را مستقیماً به پرتو سیلیکونی ارتعاشی وارد می کند. این کشش مکانیکی باعث می‌شود که فرکانس تشدید پرتو به سمت بالا جابه‌جا شود، دقیقاً مانند سفت کردن یک سیم گیتار که صدای آکوستیک آن را افزایش می‌دهد.
از آنجایی که اندازه‌گیری تغییرات فرکانس را می‌توان به صورت الکترونیکی با درجه‌ای از دقت بسیار فراتر از اندازه‌گیری ولتاژ آنالوگ یا جابجایی‌های خازنی انجام داد، حسگرهای تشدید پایداری طولانی‌مدت و دقت فوق‌العاده بی‌نظیری ارائه می‌دهند. آنها اغلب به‌عنوان استانداردهای کالیبراسیون آزمایشگاهی اولیه، در نقشه‌برداری فشار اقیانوس‌شناسی اعماق دریا، و در کاربردهای برتر هوافضا که حتی کسری از درصد رانش اندازه‌گیری غیرقابل قبول است، استفاده می‌شوند.
نتیجه گیری
مجموعه وسیعی از سنسورهای فشار موجود بر نیازهای پیچیده و متنوع اکوسیستم تکنولوژیک مدرن ما تاکید دارد. از معماری‌های بسیار مقرون‌به‌صرفه-موثر و انبوه-معماری پیزومقاومتی MEMS تا قابلیت‌های بیش از-دقیق دستگاه‌های رزونانس و مصونیت محیطی شدید حسگرهای فیبر{4}}نوری، هر پارادایم طراحی نشان‌دهنده پاسخی است که به دقت مهندسی شده برای یک چالش فیزیکی خاص. هیچ پیروز تکنولوژیک منحصر به فردی در حوزه انتقال فشار وجود ندارد. در عوض، این صنعت در طیف پیچیده ای از ابزارهای تخصصی که برای متعادل کردن دقت، محدوده دینامیکی، دوام محیطی و واقعیت های بودجه طراحی شده اند، رشد می کند.
همانطور که ما به آینده زیرساخت های جهانی نگاه می کنیم، اهمیت انتخاب و درک این اجزای حیاتی تنها تشدید خواهد شد. ظهور اینترنت صنعتی اشیاء، حمل و نقل الکتریکی خودران، و روباتیک خودکار پیشرفته، سطحی از یکپارچگی داده را می طلبد که تنها توسط شبکه های فشار بسیار بهینه ارائه شود. با همسو کردن مکانیک فیزیکی منحصر به فرد یک حسگر با محدودیت‌های محیطی دقیق برنامه، مهندسان می‌توانند سیستم‌هایی بسازند که نه تنها هوشمندتر و پاسخگوتر باشند، بلکه ذاتاً ایمن‌تر و پایدارتر برای نسل‌های آینده باشند.