در اندازه‌گیری فشار، ممکن است متوجه شوید که نتایج اندازه‌گیری بلافاصله تغییرات فشار ورودی را منعکس نمی‌کند یا زمانی که فشار به حالت اولیه خود باز می‌گردد، کاملاً مطابقت ندارد. به عنوان مثال، هنگام استفاده از ترازو حمام برای اندازه گیری وزن، حسگر ترازو به زمان نیاز دارد تا وزن شما را به طور دقیق تشخیص داده و تثبیت کند. اینزمان پاسخگوییسنسور منجر به نوسانات اولیه داده می شود. هنگامی که سنسور با بار تنظیم می شود و پردازش داده ها را کامل می کند، خوانش ها نتایج پایدارتری را نشان می دهند.این یک نقص سنسور نیست، بلکه یک ویژگی طبیعی بسیاری از دستگاه‌های اندازه‌گیری الکترونیکی است، به‌ویژه زمانی که شامل پردازش داده‌های بلادرنگ و دستیابی به حالت پایدار است. این پدیده را می توان پسماند حسگر نامید.
هیسترزیس در سنسورهای فشار چیست؟
سنسورهیسترزیسمعمولاً زمانی که تغییری در ورودی وجود دارد (مانند دما یا فشار)، و سیگنال خروجی بلافاصله پس از تغییر ورودی ظاهر نمی شود، یا وقتی ورودی به حالت اولیه خود باز می گردد، سیگنال خروجی به طور کامل به حالت اولیه خود باز نمی گردد. . این پدیده را می توان در منحنی مشخصه سنسور مشاهده کرد، جایی که یک منحنی حلقه شکل عقب مانده بین ورودی و خروجی به جای یک خط مستقیم وجود دارد. به طور خاص، اگر شروع به افزایش ورودی از یک مقدار خاص کنید، خروجی سنسور نیز متناسب با آن افزایش خواهد یافت. با این حال، هنگامی که ورودی شروع به کاهش دوباره به نقطه اصلی می کند، متوجه خواهید شد که مقادیر خروجی بالاتر از مقادیر خروجی اصلی در طول فرآیند کاهش است و یک حلقه یا حلقه تشکیل می دهد.حلقه هیسترزیس. این نشان می دهد که در طول فرآیند افزایش و کاهش، مقدار ورودی یکسان با دو مقدار خروجی متفاوت مطابقت دارد که نمایش شهودی پسماند است.
نمودار رابطه بین خروجی و فشار اعمال شده در یک سنسور فشار را در طول فرآیند اعمال فشار نشان می‌دهد که در قالب یک منحنی پسماند نمایش داده شده است. محور افقی نشان دهنده خروجی سنسور و محور عمودی نشان دهنده فشار اعمال شده است. منحنی قرمز نشان دهنده فرآیندی است که در آن خروجی سنسور با افزایش تدریجی فشار افزایش می یابد و مسیر پاسخ را از فشار کم به فشار بالا نشان می دهد. منحنی آبی نشان می دهد که با شروع کاهش فشار اعمال شده، خروجی سنسور نیز کاهش می یابد، از فشار بالا به پایین، که واکنش سنسور را در هنگام تخلیه فشار نشان می دهد. ناحیه بین دو منحنی، حلقه هیسترزیس، تفاوت خروجی سنسور را در همان سطح فشار در حین بارگیری و تخلیه نشان می دهد، که معمولاً ناشی از خواص فیزیکی و ساختار داخلی ماده حسگر است.
دلایل هیسترزیس فشار
پدیده هیسترزیس درسنسورهای فشارعمدتاً تحت تأثیر دو عامل اصلی است که ارتباط نزدیکی با خواص فیزیکی و مکانیسم عملکرد سنسور دارد:
- پسماند الاستیک ماده هر ماده ای در اثر نیروهای خارجی تحت درجه خاصی از تغییر شکل الاستیک قرار می گیرد که پاسخ مستقیم ماده به نیروهای اعمال شده است. هنگامی که نیروی خارجی حذف می شود، ماده تلاش می کند تا به حالت اولیه خود بازگردد. اما این بازیابی به دلیل عدم یکنواختی در ساختار داخلی مواد و تغییرات غیرقابل برگشت جزئی در ریزساختار داخلی در حین بارگیری و تخلیه مکرر کامل نیست. این منجر به تاخیر در خروجی رفتار مکانیکی در طول فرآیندهای بارگیری و تخلیه مداوم می شود که به عنوان شناخته شده استهیسترزیس الاستیک. این پدیده به ویژه در استفاده ازسنسورهای فشار، زیرا سنسورها اغلب نیاز دارند تغییرات فشار را به دقت اندازه گیری کرده و به آن پاسخ دهند.
- اصطکاک در اجزای مکانیکی یک سنسور فشار، به ویژه آنهایی که شامل قطعات متحرک هستند، اصطکاک اجتناب ناپذیر است. این اصطکاک ممکن است از تماس‌های درون سنسور، مانند نقاط تماس لغزشی، یاتاقان‌ها و غیره باشد. هنگامی که سنسور فشار را تحمل می‌کند، این نقاط اصطکاک می‌توانند مانع حرکت آزاد ساختارهای مکانیکی داخلی سنسور شوند و باعث تاخیر بین پاسخ سنسور و سنسور شوند. فشار واقعی هنگامی که فشار تخلیه می شود، همان نیروهای اصطکاک نیز ممکن است مانع از توقف فوری سازه های داخلی شود، بنابراین پسماند در مرحله تخلیه نیز نشان داده می شود.
این دو عامل با هم منجر به حلقه پسماند مشاهده شده در حسگرها در طول آزمایش‌های بارگیری و تخلیه مکرر می‌شوند، مشخصه‌ای که اغلب در کاربردهایی که دقت و تکرارپذیری بسیار مورد نیاز است، مورد توجه ویژه قرار می‌گیرد. برای کاهش تأثیر این پدیده هیسترزیس، طراحی دقیق و انتخاب مواد برای سنسور بسیار مهم است و ممکن است الگوریتم‌های نرم‌افزاری نیز برای جبران این پسماند در برنامه‌ها مورد نیاز باشد.
پدیده هیسترزیس درسنسورهای فشارتحت تأثیر عوامل مختلفی است که مستقیماً با خواص فیزیکی و شیمیایی سنسور و محیط عملکرد آن مرتبط است.
چه عواملی منجر به هیسترزیس سنسور می شود؟
1. خواص مواد
- مدول الاستیک: مدول الاستیک ماده، میزان تغییر شکل الاستیک را در هنگام قرار گرفتن در معرض نیرو تعیین می کند. مواد با مدول الاستیک بالاتر کمتر تغییر شکل می دهند و آنهاهیسترزیس الاستیکممکن است نسبتا کمتر باشد
- نسبت پواسون: نسبت پواسون نسبت انقباض جانبی به کشیدگی طولی در یک ماده را در هنگام اعمال نیرو توصیف می کند که بر رفتار ماده در هنگام بارگیری و تخلیه نیز تأثیر می گذارد.
- ساختار داخلی: ریزساختار ماده شامل ساختار کریستالی، عیوب و اجزاء بر رفتار مکانیکی و ویژگی‌های پسماند آن تأثیر می‌گذارد.
2. فرآیند تولید
- دقت ماشینکاری: دقت ماشینکاری اجزای حسگر به طور مستقیم بر عملکرد آن تأثیر می گذارد. اجزای با دقت بالاتر بهتر جا می گیرند و اصطکاک اضافی و تمرکز استرس ناشی از تناسب ضعیف را کاهش می دهند.
- زبری سطح: کیفیت عملیات سطح، مانند زبری سطح، بر میزان اصطکاک تأثیر می گذارد و در نتیجه بر سرعت پاسخ سنسور و هیسترزیس تأثیر می گذارد.
- تغییرات دما بر خواص فیزیکی مواد مانند مدول الاستیک و ضریب اصطکاک تأثیر می گذارد. دماهای بالا به طور کلی مواد را نرم تر می کند، مدول الاستیک را کاهش می دهد و اصطکاک را افزایش می دهد و در نتیجه پسماند را افزایش می دهد. برعکس، دمای پایین ممکن است مواد را سخت‌تر و شکننده‌تر کند و به طرق مختلف بر هیسترزیس تأثیر بگذارد.
3. دما
- تغییرات دما بر خواص فیزیکی مواد مانند مدول الاستیک و ضریب اصطکاک تأثیر می گذارد. دماهای بالا به طور کلی مواد را نرم تر می کند، مدول الاستیک را کاهش می دهد و اصطکاک را افزایش می دهد و در نتیجه پسماند را افزایش می دهد. برعکس، دمای پایین ممکن است مواد را سخت‌تر و شکننده‌تر کند و به طرق مختلف بر هیسترزیس تأثیر بگذارد.
خطرات
وجود هیسترزیس درسنسورهای فشارمی تواند باعث خطاهای اندازه گیری شود که بر دقت و قابلیت اطمینان سنسور تأثیر می گذارد. در کاربردهایی که به اندازه‌گیری‌های با دقت بالا نیاز دارند، مانند کنترل دقیق فرآیند صنعتی و نظارت بر تجهیزات پزشکی حیاتی، هیسترزیس می‌تواند منجر به خطاهای اندازه‌گیری قابل توجهی شود و حتی باعث از کار افتادن کل سیستم اندازه‌گیری شود. بنابراین، درک و به حداقل رساندن تأثیر هیسترزیس بخش کلیدی تضمین عملکرد کارآمد و دقیق است.سنسورهای فشار.
راه حل های هیسترزیس در سنسورهای فشار:
برای اطمینان از کمترین اثرات هیسترزیس ممکن درسنسورهای فشار، سازندگان چندین اقدام کلیدی را برای بهینه سازی عملکرد سنسور انجام داده اند:
- انتخاب مواد: انتخاب مواد نقش تعیین کننده ای در هیسترزیس دارد. بنابراین، سازندگان با دقت مواد اصلی مورد استفاده در ساخت حسگر را انتخاب می‌کنند، مانند دیافراگم، مهر و موم و مایعات پرکننده، تا اطمینان حاصل کنند که حداقل پسماند را در شرایط کاری مختلف از خود نشان می‌دهند.
- بهینه سازی طراحی: با بهبود طراحی ساختاری حسگرها مانند شکل، اندازه و ضخامت دیافراگم ها و بهینه سازی روش های آب بندی، سازندگان می توانند به طور موثر پسماند ناشی از اصطکاک، اصطکاک استاتیک و تغییر شکل مواد را کاهش دهند.
- درمان پیری: حسگرهای تازه تولید شده ممکن است پسماند اولیه قابل توجهی را نشان دهند. از طریقدرمان پیریو برنامه‌های آزمایشی خاص، مواد را می‌توان برای تثبیت و تطبیق تسریع کرد، بنابراین این پسماند اولیه را کاهش داد. تصویر زیر نشان می دهدXDB305تحتدرمان پیری.
- کنترل دقیق تولید: با کنترل دقیق تلورانس ها و کیفیت در طول فرآیند تولید، سازندگان از سازگاری هر سنسور اطمینان می یابند و تأثیر تغییرات تولید بر هیسترزیس را به حداقل می رسانند.
- کالیبراسیون و جبران پیشرفته: برخی از تولیدکنندگان از فناوری جبران دیجیتال پیشرفته و روش‌های کالیبراسیون چند نقطه‌ای برای مدل‌سازی دقیق و تصحیح پسماند در خروجی‌های سنسور استفاده می‌کنند.
- تست عملکرد و درجه‌بندی: همه سنسورها برای ارزیابی ویژگی‌های پسماندشان تحت آزمایش‌های دقیق قرار می‌گیرند. بر اساس نتایج آزمایش، سنسورها درجه بندی می شوند تا اطمینان حاصل شود که تنها محصولاتی که استانداردهای هیسترزیس خاصی را دارند به بازار عرضه می شوند.
- تست عمر تسریع شده: برای تأیید پایداری عملکرد سنسورها در طول عمر مورد انتظارشان، سازندگان آزمایش‌های پیری و عمر سریع را روی نمونه‌ها انجام می‌دهند تا اطمینان حاصل کنند که پسماند در محدوده‌های قابل قبول باقی می‌ماند.
این اقدامات جامع به تولیدکنندگان کمک می کند تا به طور موثر پدیده هیسترزیس را کنترل و کاهش دهندسنسورهای فشار، حصول اطمینان از اینکه سنسورها الزامات دقت و قابلیت اطمینان بالا را در کاربردهای واقعی برآورده می کنند.
زمان ارسال: مه-09-2024