انواع تکنولوژی‌های بکار رفته در سنسورهای ارتعاشات

مقدمه

سنسورهای ارتعاشی ابزارهای کلیدی در مهندسی مکانیک، نظارت بر وضعیت ماشین‌آلات، و کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی هستند. این سنسورها ارتعاشات مکانیکی را تشخیص داده و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند تا تحلیل و نظارت بر عملکرد تجهیزات ممکن شود. در این مقاله، به انواع تکنولوژی‌های بکار رفته در سنسورهای ارتعاشات پرداخته و دو نوع اصلی سنسورهای ارتعاشی، یعنی سنسورهای پیزوالکتریک و MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی)، بررسی می‌شوند. هدف این نوشتار، ارائه دیدگاهی جامع برای انتخاب سنسور مناسب بر اساس نیازهای مختلف است.

سنسورهای پیزوالکتریک

سنسورهای پیزوالکتریک از اثر پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری ارتعاشات استفاده می‌کنند و یکی از پرکاربردترین انواع سنسورهای ارتعاشی هستند.

اثر پیزوالکتریک چیست؟

اثر پیزوالکتریک پدیده‌ای است که در موادی مانند کریستال‌های کوارتز یا سرامیک‌های پیزوالکتریک (مانند PZT یا تیتانات زیرکونات سرب) رخ می‌دهد. این مواد در اثر تنش مکانیکی، بار الکتریکی تولید می‌کنند که متناسب با شدت نیروی واردشده است. این اثر شامل دو نوع است:

• اثر مستقیم: تولید بار الکتریکی در پاسخ به تنش مکانیکی.
• اثر معکوس: تغییر شکل مکانیکی ماده در اثر اعمال ولتاژ الکتریکی.

سنسورهای ارتعاشی پیزوالکتریک از اثر مستقیم برای تبدیل ارتعاشات مکانیکی به سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کنند.

انواع سنسورهای پیزوالکتریک

این سنسورها بر اساس طراحی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• مود شارژ (Charge Mode): سیگنال خروجی مستقیماً از بار الکتریکی تولیدشده است. این سنسورها برای دماهای بالا (تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) مناسب‌اند، اما نیاز به کابل‌های کم‌نویز دارند.
• مود ولتاژ (Voltage Mode): دارای مدارهای داخلی برای تقویت سیگنال هستند و از کابل‌های استاندارد استفاده می‌کنند، اما در دماهای پایین‌تر (تا ۱۷۵ درجه سانتی‌گراد) کاربرد دارند.

اصول کار

سنسورهای پیزوالکتریک معمولاً به‌عنوان شتاب‌سنج عمل می‌کنند و مراحل کار آن‌ها شامل موارد زیر است:

• جرم داخلی سنسور در اثر ارتعاش به ماده پیزوالکتریک فشار وارد می‌کند.
• ماده پیزوالکتریک بار الکتریکی تولید می‌کند.
• بار الکتریکی توسط مدارهای الکترونیکی (مانند تقویت‌کننده‌های شارژ یا مبدل‌های ولتاژ) به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود.
• سیگنال خروجی (معمولاً ولتاژ) متناسب با شتاب یا ارتعاش است.

انواع طراحی

• فشاری (Compression Type): ماده پیزوالکتریک تحت فشار مستقیم قرار می‌گیرد، مناسب برای فرکانس‌های بالا.
• برشی (Shear Type): تحت نیروی برشی عمل می‌کند و حساسیت کمتری به تغییرات دمایی دارد.
• خمشی (Bending Type): از خمش ماده برای تولید سیگنال استفاده می‌کند، مناسب برای فرکانس‌های پایین.
• تک‌محوره و چندمحوره: برای اندازه‌گیری ارتعاش در یک یا چند جهت.

مشخصات فنی

هنگام انتخاب سنسور پیزوالکتریک، باید به موارد زیر توجه کرد:

• محدوده فرکانسی: چند هرتز تا چندین کیلوهرتز.
• حساسیت: ولتاژ خروجی به ازای واحد شتاب (mV/g).
• محدوده دینامیکی: حداکثر و حداقل شتاب قابل اندازه‌گیری.
• دمای کاری: محدوده دمایی عملکرد صحیح سنسور.
• وزن و ابعاد: برای کاربردهای با محدودیت فضا.
• مقاومت در برابر محیط: مانند رطوبت، گردوغبار، یا شوک‌های مکانیکی.

کاربردها

• صنعت خودروسازی: تست ارتعاشات موتور و سیستم تعلیق.
• هوافضا: پایش ارتعاشات موتورهای جت و بدنه هواپیما.
• مهندسی عمران: نظارت بر ارتعاشات پل‌ها و سازه‌ها.
• صنعت تولید: پایش ماشین‌آلات دوار.
• پزشکی: اندازه‌گیری ارتعاشات در تجهیزات تشخیصی.
• تحقیقات علمی: تحلیل دینامیک سازه‌ها و مواد.

مزایا و معایب

مزایا:

• حساسیت بالا: توانایی تشخیص ارتعاشات بسیار کوچک.
• پاسخ فرکانسی گسترده: مناسب برای اندازه‌گیری ارتعاشات در محدوده فرکانسی وسیع.
• ساختار ساده: بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی (در حالت شارژ).
• دوام بالا: مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت.
• اندازه کوچک: مناسب برای کاربردهایی با محدودیت فضا.

معایب:

• عدم توانایی اندازه‌گیری شتاب استاتیک: به دلیل ماهیت اثر پیزوالکتریک، این سنسورها فقط برای ارتعاشات دینامیک مناسب هستند.
• حساسیت به نویز: سیگنال‌های الکتریکی تولیدشده ممکن است تحت تأثیر نویزهای الکترومغناطیسی قرار گیرند.
• هزینه بالا: سنسورهای باکیفیت و دقیق ممکن است گران باشند.
• وابستگی به دما: در برخی موارد، تغییرات دمایی می‌توانند بر عملکرد سنسور تأثیر بگذارند.
• نیاز به تجهیزات داده‌برداری: این سنسورها اغلب به تجهیزات Data Acquisition مانند کارتهای داده‌برداری NI نیاز دارند.

سنسورهای ارتعاشی MEMS

سنسورهای MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی) ابزارهای کوچکی هستند که برای اندازه‌گیری ارتعاشات و شتاب در مقیاس میکرو طراحی شده‌اند. این سنسورها به دلیل اندازه کوچک، هزینه پایین، و مصرف انرژی کم در بسیاری از صنایع کاربرد دارند.

اصول کار

این سنسورها معمولاً از روش‌های زیر برای اندازه‌گیری ارتعاش استفاده می‌کنند:

• تغییر ظرفیت خازنی: جابه‌جایی جرم لرزه‌ای باعث تغییر ظرفیت خازنی می‌شود.
• پیزوالکتریک: تولید بار الکتریکی در اثر تنش مکانیکی.
• پیزورزیستیو: تغییر مقاومت الکتریکی در اثر جابه‌جایی جرم.
• تشدید حرارتی/نوری: استفاده از تغییرات حرارتی یا نوری (کمتر رایج).

خروجی این سنسورها معمولاً به‌صورت سیگنال آنالوگ یا دیجیتال است که توسط مدارهای مجتمع (مانند ASIC) پردازش می‌شود.

اجزای اصلی

• جرم لرزه‌ای: جرمی کوچک که در اثر ارتعاش جابه‌جا می‌شود.
• فنرهای میکروسکوپی: جرم را معلق نگه می‌دارند.
• الکترودها: برای تشخیص تغییرات ظرفیت یا مقاومت.
• بستر سیلیکونی: پایه اجزای مکانیکی و الکتریکی.
• مدارهای پردازش سیگنال: برای تبدیل تغییرات به سیگنال الکتریکی.
• محفظه: محافظت از اجزا در برابر عوامل محیطی.

انواع سنسورهای MEMS

• شتاب‌سنج‌ها: برای اندازه‌گیری شتاب خطی در یک یا چند محور.
• ژیروسکوپ‌ها: برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای با استفاده از اثر کوریولیس.
• واحدهای IMU: ترکیبی از شتاب‌سنج و ژیروسکوپ.
• سنسورهای تشدیدی: برای کاربردهای با دقت بالا.

مشخصات فنی

هنگام انتخاب سنسور MEMS، باید به موارد زیر توجه کرد:

• محدوده شتاب: معمولاً ±2g تا ±200g.
• محدوده فرکانسی: چند هرتز تا چندین کیلوهرتز.
• حساسیت: تغییر سیگنال خروجی به ازای واحد شتاب (mV/g یا بیت/g).
• نویز: سطح نویز سنسور که بر دقت تأثیر می‌گذارد.
• مصرف انرژی: برای دستگاه‌های باتری‌محور.
• اندازه و وزن: بسیار کوچک (چند میلی‌متر) و سبک.
• دمای کاری: معمولاً -40°C تا +125°C.

کاربردها

• الکترونیک مصرفی: گوشی‌های هوشمند، گجت‌های پوشیدنی.
• خودروسازی: سیستم‌های کیسه هوا، کنترل پایداری.
• هوافضا: ناوبری اینرسی، پایش ارتعاشات.
• صنعت: پایش ماشین‌آلات دوار.
• پزشکی: تجهیزات تشخیصی و توان‌بخشی.
• اینترنت اشیا: پایش محیطی در شهرهای هوشمند.

مزایا و معایب

• مزایا: اندازه کوچک، هزینه پایین، مصرف انرژی کم، دقت مناسب، قابلیت ادغام.
• معایب: دقت کمتر نسبت به سنسورهای پیزوالکتریک، حساسیت به نویز، محدودیت در محدوده دینامیکی.

مقایسه سنسورهای پیزوالکتریک و MEMS

ویژگی	سنسورهای MEMS	سنسورهای پیزوالکتریک
اندازه	بسیار کوچک (میکرومتر تا میلی‌متر)	بزرگ‌تر (چند میلی‌متر تا سانتی‌متر)
هزینه	پایین (تولید انبوه)	بالاتر
محدوده فرکانسی	مناسب برای فرکانس‌های پایین تا متوسط	مناسب برای فرکانس‌های بالا
دقت	متوسط تا خوب	بسیار بالا
مصرف انرژی	پایین	بدون نیاز به منبع تغذیه (در حالت شارژ)
کاربردها	الکترونیک مصرفی، IoT، خودرو	صنعت، هوافضا، کاربردهای با دقت بالا

برای خرید انواع سنسورهای ارتعاشات پیشرفته میتوانید با ما در سنسیلو تماس بگیرید.