تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنها

مقاله تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنها با فرمت word+pdf، از این مقاله میتوانید در سمینار، مقالات و پایان نامه خود استفاده نمایید. 

مقدمه

شتاب‌سنج به انگلیسی: (Accelerometer) حسگری تحلیل و بررسی تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهاشتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهاکه شتاب مکانیکی را به سیگنال الکتریکی متناسب با آن تبدیل می‌کند. شتاب نرخ تغییرات سرعت در واحد زمان می‌باشد که می‌تواند ثابت (شتاب استاتیک) یا متغیر (شتاب دینامیک) و یا گذرا باشد. شتاب‌سنج دارای مدل‌های یک‌محوری و چندمحوری است که می‌توانند اندازه و جهت شتاب را به‌عنوان یک کمیتِ بُرداری اندازه‌گیری کنند. شتاب‌سنج برای اندازه‌گیری ارتعاش، شوک و ضربه به کار می‌رود؛ ولی می‌توان از این حسگر برای کاربردهای دیگری نیز استفاده کرد. به کمک انتگرال‌گیری از شتاب می‌توان سرعت و جابجایی را اندازه‌گیری نمود و با کمک شتاب استاتیک می‌توان زاویه قرارگیری محصول نسبت به محور جاذبه زمین و یا میزان تراز سطح را اندازه‌گیری نمود. امروزه شتاب‌سنج‌ها کاربردهای تحلیل و بررسی تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهاشتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهافراوانی در لوازم الکترونیکی و تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهادارند.سنسور شتاب پیزو الکتریک

شتاب­ به کمک جرم- فنر- میراگرو یا تحلیل و بررسی سنسورهای شتاب سنج پیزو الکتریک و مقایسه حساسیت آنهاقابل اندازه­گیری است . در سنجش شتاب بکمک جرم-فنر-میراگر، شتاب تبدیل به جابجایی یک جرم می­شود که حرکت آن توسط یک فنر و میراگر محدود می­شود و این جابجایی بکمک یک سنسور جابجایی اندازه­گیری می­گردد. اندازه­گیری این جابجایی توسط روش­های مختلف الکتریکی همچون پتانسیومتر، کرنش­سنج و تغییرمکان­سنج قابل انجام است. در سنجش شتاب بکمک پیزوالکتریک، از این خاصیت مواد پیزوالکتریک استفاده می­شود که در اثر اعمال نیرو به آن جابجایی ایجاد می­شود و این جابجایی که رابطه­ی آن با نیرو با مدل جرم-فنر-میراگر قابل بیان است، باعث ایجاد بار الکتریکی می­شود. رابطه جابجایی ایجاد شده و بار الکتریکی تولید شده خطی می­باشد. بنابراین خروجی کریستال پیزوالکتریک یک بار الکتریکی متناسب با نیروی اعمالی است و نیازی به اندازه­گیری جابجایی نمی­باشد . پیزو یک کلمه یونانی و به معنای فشردن می­باشد و به موادی اطلاق می­شودکه در اثر تغییرشکل، جریان الکتریکی متناسب با آن ایجاد می­کنند.

در سنجش شتاب بکمک جرم-فنر-میراگر، ورودی به شتاب­سنج حرکت پایه  و خروجی آن جابجایی نسبی جرم می­باشد . هر مقدار جرم شتاب­سنج بزرگتر یا سختی کمتر باشد، شتاب­سنج حساسیت بالاتری دارد و محدوده­ی فرکانسی قابل کاربرد آن نیز پایین­تر و کمتر است. جابه جایی، سرعت و شتاب کمیتهایی هستند که به هم وابسته اند و اندازه گیری یک کمیت ممکن است برای به دسـت آوردن یک کمیت دیگر مورد استفاده قرار گیرد. این امر باعث نتایج بسیار مثبتی در اندازه گیری میشود، زیرا وسیلهای کـه تقریبـاً همـواره بـرای اندازه گیری ارتعاشات به کار میرود، شتابسنج است. اما هر مقدار تخمین کـه بـرای شـتاب لازم اسـت همـان مقـدار تخمین هم برای جابه جایی و سرعت لازم است. ارتباط بین مقادیر پیک شتاب، سرعت و جابهجایی براحتی قابل محاسبه است. به عنوان مثال فرض کنیـد شـیء دارای نوسانات هارمونیک است و جابهجایی آن طبق رابطه زیر بدست میآید:با دیفرانسیلگیری مجدد، شتاب به صورت زیر بدست میآید:از آنجا که برای مقادیر مطلق به صورت زیر می باشد. بنابراین، اگر به عنوان مثال، برای محاسبه ارتعاش یک شیء اندازه گیری شـده که مقـدار پیـک شـتاب آن در فرکـانس200Hz  دارای مقدار 15m/cm2 باشد مقدار پیک سرعت آن شیء عبارت خواهد بود از:به گونهای مشابه پیک مقدار جابهجایی عبارت است از:بعضی از انواع ترانسدیوسرهای سرعت با استفاده از این واقعیت که حرکت نسبی بین جسم هادی الکتریکـی و میـدان مغناطیسی، به طوری که هادی خطوط میدان را قطع کند، باعث ایجاد ولتاژ در دو سر هادی می شود، ساخته شـدهانـد. سنسورهای سرعت مغناطیسی به دو شکل ساخته میشود. گونه اول که آهن ربا ثابت و سیمپیچ متحرک است و گونـه دوم که در آنها سیم پیچ ثابت و آهنربا متحرک است. دستهای از ترانسدیوسرها (در شتابسنجها و لرزهسنجها به کار میروند)، بـا اسـتفاده از اثـر قـانون دوم نیـوتن سـاخته شدهاند. طبق این قانون وقتی جسمی با جرم معینی دارای شتاب باشد در آن صورت نیرویی که باعث شده جسـم ایـن شتاب را به خود بگیرد از رابطه زیر بدست میاید:

شتاب × جرم=نیرو

تئوری شتاب سنج ولرزه سنج

اغلب سنسورهای ارتعاش براساس سیستم جرم فشرده ساخته میشوند (مطابق شکل۴-١ .(بسـته بـه اینکـه فرکـانس اندازه گیری شده ω ،و یا پایینتراز فرکانس رزونانس سنسور، ωn  ،باشد، جابـهجـایی، سـرعت و یـا شـتاب را مـیتـوان اندازه گیری کرد. این نوع ترانسدیوسرها حس کردن حرکت جرم معلق m نسبت به معادله حرکت سیسـتم شـکل ۴-١ عبارت است از:که بر روی این سطوه z=x-y است.

و اگر بدنه مرتعشی که محفظه به آن متصل است حرکت سینوسی به شکل Asin ωt =y داشته باشد، آنگاه معادله به صورت زیر خواهد بود:این معادله آشنای پاسخ سیستم دارای یک درجه آزادی به نوسان اجباری است. پاسخ حالت دائـم مـیتوانـد بـه شـکل  Zsin(ωt -ф) =z فرض شود که در این رابطه Z مقدار دامنه جابه جایی جرم و محفظه و ф فاز جابـه جـایی نسـبت بـه نیروی تحریک است. با مقایسه این رابطه با راه حل های استاندارد میتوان معادلات زیر را نوشت:از این عبارت روشن است که پارامترهای مهم معادلات فوق شامل نسبت فرکانس ωn/ ω و ضریب میرایـی (دمپینـگ (ζ است. نمودار مربوط به این معادلات را در زیر میبینید. نوع سنسور ( لرزه سنج و یا شتاب سنج) توسط رابطه بین فرکانسی که اندازه گیری شده و فرکانس رزنانس ترانسدیوسر معین میشود.

لرزه سنج

وقتی که فرکانس طبیعی سنسور ωn در مقایسه با فرکانس ارتعاش اندازه گیری شـده ω کوچـک باشـد، نسـبت ωn/ ω عدد بزرگی خواهد شد. دامنه جابه جایی نسبی Z صرف نظر از اینکه مقدار میرایی ζ چقدر باشـد بـه دامنـه ارتعـاش A نزدیک میشود. درچنین شرایطی جرم m ثابت باقی می ماند درحالی که محفظه اطراف m همراه با جسم مرتعش حرکت می کنـد. ایـن نوع سنسورها را لرزه سنج می نامند. معمولاً توسط یک آهنربای دائم که نقش جرم لرزان را بازی میکند و نسبت به سیم پیچهـا کـه بـه طـور ثابـت بـه محفظه وصل شده اند، حرکت نسبی z به ولتاژ تبدیل میشود. به دلیل اینکه مقدار ولتاژ تولید شده متناسب بـا سـرعت قطع خطوط میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ ها می باشد، ولتاژ خروجی سنسور متناسب با سـرعت ارتعـاش خواهد شد و بـه مقدار جابه جایی بستگی ندارد. به طور معمول فرکـانس رزونـانس یـک لـرزه سـنج، بـین Hz 5-1 وعـرض بانـد مفیـد 10Hz تا 1kHz است.

نقطه ضعف بزرگ در استفاده از لرزه سنج به عنوان سنسورهای ارتعاش اندازه و ابعاد بزرگ آنها است. چونA  برابر Z  اسـت، حرکت نسبی جرم لرزان بایستی از همان مرتبه ای باشدکه ارتعاش اندازه گیری شده است و محفظه سنسور بایسـتی بـه اندازه کافی بزرگ باشد تا این حرکت را همراهی کند . به این دلیل است که استفاده ازآن در مهندسی معمول نیسـت و به مقدار زیادی به کاربردهای مهندسی سازه منحصر شده است.

شتابسنج  ها

اگر ωn درمقایسه با ω خیلی بزرگترباشد، خروجی سنسور متناسب با شتاب خواهد بود. با توجه به معادلـه های قبلی، جملـه شامل رادیکال زیر هنگامی که جمله ωn/ ω به سمت صفرمیل کند، به مقدار واحد نزدیک میشود.به طوری که خواهیم داشت:بنابراین در یک شتاب سنج که با فرکانس به اندازه کافی کمتر از فرکانس رزنانس ترانسدیوسر کار مـیکنـد، مقـدار Z دامنه جابه جایی جرم لرزان نسبت به محفظه اش متناسب با شتاب حرکت اندازه گیری شده است و ضریب این تناسب  1/ωn 2  است. فاصله کاری مفید شتاب سنج را میتوان از شکل و معادله منحنی زیر بدست آورد.در رابطه فوق ζ ضریب میرایی است. منحنی فوق نشان میدهد کـه فاصـله مفیـد فرکانسـها بـرای شتابسنج غیر میرا شدیداً محدود است. در هر صورت وقتی 0.7=  ζ باشـد، فاصـله مفیـد فرکانسـی بـه حـدود % 20 فرکانس رزونانس افزایش مییابد و در فاصله مذکور خطای ماکزیمم کمتراز 0.01% است.

اعوجاج فاز

در شتاب سنج ها مدت تأخیر زمانی از لحظه ای که یک ورودی مکانیکی به شتابسنج اعمال میشود تا لحظه ای که پاسـخ بـه صـورت خروجی الکتریکی ظاهر میشود به عنوان اختلاف فاز نامیده میشود. اگر ایـن مقـدار تـأخیر بـرای تمـام فرکانسـهای موجود در ورودی یکسان نباشد، ارتباط فازی بین مؤلفه های فرکانسی شکل موج ارتعاش تغییر خواهند کرد و خروجی منتجه الکتریکی دچار اعوجاج خواهد شد. این اثر اعوجاج فاز نامیده میشود و برای اجتناب از آن بایستی تـأخیر زمـانی صفر یا تغییر فاز مربوط به   ζ=1 و ω/ ωn <1  باشد. امـا در یـک شتابسنج میرایی صفر مطلوب ما نیست. در حالت دوم وقتی 0.7 = ζ  و ωn/ ω است، فاز زمانی مساوی در مورد همه فرکانسها صـدق مـی کنـد از شـکل ۴-٢ مشاهده میشود که وقتی 0.7 = ζ  و ωn/ ω باشد زاویه فاز ф با رابطه زیر بدست میآید:بنابراین برای  0.7 = ζ , 0.7 = 0 اعوجاج فاز تقریباً حذف شده است.

فرکانسهای تشدید (رزنانس) شتاب سنج.

با وجود اینکه در اطلاعات مربوط به جدول مشخصات کالیبراسیون سنسور، مقدار ثـابتی بـه عنـوان فرکـانس تشـدید سنسور مشخص شده است ولی در عمل فرکانس تشدید یک شتاب سنج مقدار ثابتی نیست. این مقدار نه تنها بـه جـرم لرزان و محکم بودن پیزو الکتریک و یا دیگر ترانسدیوسرهایی که به آن متصل شده است بستگی دارد، بلکه به جـرم و سختی جسمی که برای تست ارتعاش به مجموعه وصل شده و همینطـور تـا حـدودی بـه اسـتحکام روش نصـب بـه کاربرده شده نیز وابسته است. وضعیت های مختلف در شکل نشان داده شده است. جرم مرتعش ms روی یک ترانسدیوسر مانند یک عنصـر پیـزو الکتریک که به پایه ترانسدیوسرمتصل شده است قرار دارد k .عبارتست ازسختی معادل مجموعه ترانسدیوسر و بـازوی اتصال به پایه مربوطه. جرم پایه و محفظه mb است. طبق شکل وقتی شتابسنج به هیچ شیء دیگـری وصـل نیست ، فرکانس تشدید عبارت است از:که در این رابطه فرکانس تشدید جرم لرزان ms با ضریب سختی K است. ƒs از رابطه زیر به دست میآید:    از معادلات بالا مشاهده میشود که فرکانس تشدید آونگ آزاد بستگی به نسبت ms به mb دارد. بنابراین در نگـاه اول به نظرمیرسد پایه شتابسنج بایستی تا حد ممکن سبک باشد به عنوان مثال mb کوچک باشـد تا  درهرصورت وقتـی شـتابسـنج روی r حد ممکن بزرگ باشد و پهنای باند مورد استفاده گسترش یابد به طوری که ƒ یک شیء مورد آزمایش با جرم زیاد و استحکام کافی مانند شکل قرار بگیرد، mb بـه بینهایـت میـل کرده و فرکانس تشدید شتابسنج به ƒs نزدیک میشود. بنابراین لازم نیست سـعی کنـیم وزن پایـه سنسـور تـا حـد ممکـن کوچک باشد. نکته دیگری که باید در نظر داشت حساس بودن به کرنش پایه است که بعداً توضیح داده خواهـد شـد که استفاده از یک پایه محکم و سنگین را تأیید میکند.

سنسورهای سرعت خطی

 آرایش معمول درساخت سنسورسرعت سیم پیچ متغیردر شکل نشان داده شده اسـت کـه درآن یـک سـیم پـیچ در داخل یک آهنربای دائم به طور معلق و آزاد قرار گرفته است. اگرسیم پیچ فوق با سرعتdt / du شروع به حرکت کند ولتاژ خروجی از رابطه زیر به دست میآید :     که B قدرت میدان مغناطیسی به تسلا وL طول قسمتی از هادی است که توسط فلوی مغناطیسی قطع میشود.

مدل ساده ای از یک ترانسدیوسر آهنربای متحرک در شکل نشان داده شده است و شامل آهن ربای دائمـی اسـت که داخل یک سیم پیچ تثبیت شده است. اما خروجی این نوع سنسور به طورقابل ملاحظه ای غیرخطی است.

سنسور سرعت در حرکت چرخشی

کارتاکومتر مشابه با سنسور سرعت کوپل متحرک است با ایـن تفـاوت کـه در حرکـت دورانـی اسـتفاده مـی شـود. در تاکومترDC توسط یک آهنربای دائم یک میدان مغناطیسی تولید میشـود ویـک سـیم پـیچ بـین قطبهـای آهـنربـا می چرخد. ولتاژ DC القاء شده دردو سرسیم پیچ، متناسب با سرعت سیم پیچ است و این ولتاژ توسط حلقه های لغـزان از سیم پیچ چرخان گرفته می شود. حلقه های لغزان استوانه ها ویا دیسکهای فلزی کاملاً صیقلی هستند که باعث میشـوند جریان بین قسمتهای چرخان دستگاه توسط کنتاکتهای لغزنده انتقال یابد. برای اطمینان از این که ولتاژ خروجی نسـبتاً صاف باشد معمولاً تعدادی قطبهای مغناطیسی اطراف سیم پیچ قرارداده میشوند. اما چون تعداد قطبها بایسـتی محـدود باشد، باز هم مقداری ریپل ولتاژ وجود دارد. مضافاً به اینکه تاکومترهای DC ضعف دیگری نیزدارند و آن نـویز حاصـل از عدم وجود اتصال کامل الکتریکی در حلقه های لرزان است.

تاکومترهای AC عموماً نسبت به انواع DC آن کمتر نویز دارند، چون احتیاج بـه حلقـه هـای لغـزان ندارنـد و از اثـرات جریان ولتاژ در امانند. تاکومترAC عبارت است از یک استوانه چرخان هادی محکم که با یک جفت سـیم پـیچ هماننـد شکل ۴-٧ عمود برهم قرار گرفتهاند. یک کوپل به صورت سینوسی با فرکانس ثابت تحریک میشود و به دلیل وجـود جریان اِدی داخل هسته گردان یک ولتاژ AC در سیم پیچ دوم القاء میشود. اندازه ولتـاژ در سـیم پـیچ دوم متناسـب بـا سرعت چرخش است. در شکل یک تاکو میتر …………

 متن ارایه شده در بالا به صورت خلاصه بوده و برای آشنایی شما میباشد. امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت مطلب به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

 برای دریافت pdf+word  کامل این مطلب بر روی کلیدزیر،کلیک نمایید . 

قیمت: 20000تومان

سنسور شتاب پیزو الکتریک سنسور شتاب پیزو الکتریکسنسور شتاب پیزو الکتریک