Inngangur
Í nútíma landslagi iðnaðar sjálfvirkni, geimferðaverkfræði, bílahönnunar og neytenda rafeindatækni er þrýstingur ein af eðlisbreytunum sem oftast er mæld. Allt frá nákvæmri stjórn á vökvavökva í þungum vélum til viðkvæmra öndunar-eftirlitskerfa sem finnast í lækningaöndunarvélum, er hæfileikinn til að mæla kraftinn sem beitt er á tiltekið svæði nákvæmlega. Aðaltækin sem hafa það hlutverk að framkvæma þessa þýðingu eru þrýstingsskynjarar. Þessir mjög sérhæfðu rafeindaíhlutir virka sem skynfæri sjálfvirkra kerfa, greina vélrænt líkamlegt álag og breyta því í hlutfallslegt, stöðugt rafmerki sem hægt er að túlka af örgjörvum og stjórnkerfum.
Að velja rétta tegund tækni fyrir tiltekið forrit krefst djúprar innsýnar í eðlisfræði umbreytingar. Engin einstök skynjarahönnun á almennt við í öllu umhverfi. Skynjari sem hentar fullkomlega til að fylgjast með stöðugum breytingum í andrúmslofti í veðurstöð myndi bila skelfilega ef hann væri settur upp inni í brunahólfi þotuhreyfils eða í ætandi umhverfi efnavinnslustöðvar. Með því að kanna grundvallaraðferðir, eðlislæga kosti og rekstrartakmarkanir mismunandi stíla þrýstinema geta kerfishönnuðir og verkfræðingar tryggt öryggi, hámarka skilvirkni og tryggt -langtímaáreiðanleika tæknieigna sinna.
Piezoresistive og þrýstimælir þrýstingsskynjarar
Meðal útbreiddustu tækni á heimsmarkaði eru piezoresistive þrýstingsskynjarar þroskuð og mjög áreiðanleg nálgun við kraftmælingar. Rekstrargrundvöllur þessarar tækni hvílir á piezoresistive áhrifum, eðlisfræðilegu fyrirbæri þar sem rafviðnám hálfleiðara efnis breytist verulega þegar það verður fyrir vélrænni álagi. Í dæmigerðri piezoresistive skynjarastillingu er röð ör-vélaðra viðnáma tengdar við eða dreift beint í sveigjanlega þind. Þegar vinnsluvökvi eða gas þrýstir á þessa þind, sveigir efnið örlítið, sem veldur því að innbyggðu viðnámið teygjast eða þjappast saman.
Þessi líkamlega aflögun breytir innri kristalgrindarbyggingu viðnámanna og breytir beint rafviðnám þeirra. Til að fanga þessa litlu viðnámsbreytingu með hámarksnákvæmni, raða verkfræðingum viðnámunum venjulega í klassíska Wheatstone brú rafstillingu. Þegar ytri örvunarspenna er sett á brúna, skapar smávægileg breyting á viðnámsgildunum mælanlegt mismunaspennuúttak. Þetta hliðræna úttaksmerki er í réttu hlutfalli við líkamlega þrýstinginn sem verkar á þind skynjarans.
Þróun hálfleiðaraframleiðslu hefur gert kleift að búa til ör-rafmagns-mekanísk kerfi, almennt þekkt sem MEMS piezoresistive skynjarar. Þessi smásæju tæki eru með sílikonþind sem eru ætuð á oblátastigi, sem gerir gríðarlega framleiðslustærð kleift, einstök smáfótspor og ótrúlega lágan einingakostnað. Piezoresistive skynjarar eru mikils metnir í bíla- og neytendaraftækjageiranum fyrir mikla næmni, framúrskarandi línuleika á stöðluðum rekstrarsviðum og eðlislægan styrkleika. Hins vegar hafa þeir sérstaka viðkvæmni fyrir hitabreytingum. Kísill er mjög viðkvæmt fyrir hitabreytingum, sem getur valdið gervi viðnámsbreytingum ótengdar raunverulegum þrýstingi. Þar af leiðandi verða framleiðendur að samþætta háþróaðar innri hitauppjöfnunarrásir eða stafræna merkjagjörva til að leiðrétta þetta hitastig og viðhalda nákvæmni mælinga í sveiflukenndu umhverfi.
Rafrýmd þrýstingsskynjarar
Þegar forrit krefst mikillar næmni, sérstaklega við mjög lágan þrýstingsþröskuld, koma rafrýmd þrýstingsskynjarar fram sem einstakt tæknilegt val. Ólíkt viðnámstækjum sem treysta á efnisálag, starfa rafrýmd skynjarar á eingöngu rafstöðueiginleika. Innri arkitektúr staðlaðs rafrýmds skynjara samanstendur af tveimur samhliða málmplötum sem eru aðskildar með litlu, lokuðu bili sem inniheldur rafmagnsefni, sem oft er loft, lofttæmi eða sérhæft gas. Ein þessara platna helst alveg stíf og kyrrstæð, á meðan mótplatan er hönnuð sem mjög sveigjanleg, ofur-þunn þind sem verður beint fyrir vinnsluþrýstingnum.
Þegar ytri þrýstingur breytist færist sveigjanlega þindið nær eða lengra frá kyrrstæðu plötunni. Samkvæmt lögmálum rafstöðueiginleika er rafrýmd samhliða-plötukerfis í öfugu hlutfalli við fjarlægðina sem aðskilur leiðandi yfirborð. Þess vegna, jafnvel undir-smásjársveigja þindarinnar gefur verulega breytingu á heildarrýmd skynjaraeiningarinnar. Há-rafrænar sveiflurásir sem eru innbyggðar í skynjarahúsið fylgjast stöðugt með þessu rýmdafbrigði og umbreyta því í hreint, línulegt spennu- eða tíðniúttaksmerki.
Helsti kosturinn við rafrýmd þrýstingsskynjara er ótrúleg næmni þeirra og nákvæmni á lágum-þrýstingssviðum, eins og þeim sem finnast í loftslagsstýringu í hreinu herbergi, lofthæðarmælum og öndunartækjum til lækninga. Vegna þess að þeir treysta ekki á að teygja fast efni að eðlisfræðilegum mörkum þess, eru rafrýmd skynjarar með einstaka vélræna yfirþrýstingseiglu; ef mikill þrýstingur kemur fram þrýstir sveigjanlega þindið einfaldlega flatt að stífu kyrrstæðu plötunni án þess að brotna eða verða fyrir varanlegu kvörðunarreki. Þar að auki, vegna þess að rafstöðueiginleikar mynda ekki umtalsverða varmaorku, neyta rafrýmd skynjara mjög lítið raforku, sem gerir þá afar vel þegið fyrir fjarstýrð,-fjarstýrð fjarmælingakerfi. Helsti ókosturinn sem tengist rafrýmdum skynjurum er næmni þeirra fyrir utanaðkomandi rafsegultruflunum og-útvarpstíðni, sem krefst mikillar hlífðar þegar þeir eru settir upp nálægt stórum rafmótorum eða útvarpssendum.
Piezoelectric þrýstingsskynjarar
Í iðngreinum þar sem þrýstitilvik eiga sér stað með sprengihraða og kröftugum ókyrrð, eru truflanir mælikerfi algjörlega ófullnægjandi. Til að fanga kraftmikla skammbylgjur, höggbylgjur og há-tíðni púls, treysta verkfræðingar nánast eingöngu á piezoelectric þrýstingsskynjara. Þessi einstaki flokkur skynjara nýtir innri eiginleika náttúrulegra og tilbúna kristallaðra mannvirkja, svo sem kvars, túrmalíns eða sérhæfðs járnrafmagns keramik. Þegar vélrænni krafti er beitt á þessi kristalluðu fylki, breytast innri raftvípólin samhverft og mynda samstundis rafhleðslu yfir yfirborð efnisins án þess að þurfa utanaðkomandi raförvunarorku.
Það sem einkennir piezoelectric áhrifin er kraftmikið eðli þeirra. Rafhleðslan sem myndast af kristalnum er skammvinn; um leið og þrýstingurinn verður stöðugur og kyrrstæður, hverfur rafhleðslan náttúrulega í gegnum innra viðnám skynjarans og tengda magnararásarinnar. Þetta þýðir að piezoelectric skynjari getur ekki mælt stöðugan, óbreytanlegan þrýsting, svo sem kyrrstæðan loftþrýsting í hjólbarða ökutækis. Hins vegar, þegar verið er að mæla umhverfi sem breytist hratt, er viðbragðstími þeirra næstum -samstundis, með getu til að fanga þrýstingssveiflur sem eiga sér stað yfir míkrósekúndur eða á tíðni sem nær yfir hundruð kílóhertz.
Þessi ofur-viðbragðsgeta gerir piezoelectric skynjara ómissandi í kúluprófum, þróun flugeldflaugamótora í geimferðum og eftirlit með brunahreyflum við háhraðavirkni. Þeir eru einnig mjög þola gegn miklum hita, með sérhæfðum kvarsskynjara sem geta starfað stöðugt í umhverfi sem fer yfir nokkur hundruð gráður á Celsíus. Rekstrarflækjustig piezoelectric kerfa liggur innan merkja ástands áfanga. Vegna þess að rafhleðslan sem myndast er ótrúlega lítil, þarf að nota háa-viðnámshleðslumagnara og sérhæfða-snúru með litlum hávaða til að vernda hrámerkið gegn niðurbroti áður en hægt er að breyta því í staðlaða stafræna mælikvarða.
Optískir og resonant þrýstingsskynjarar
Þegar nútíma iðnaður ýtir dýpra inn í hættuleg, mjög-nákvæm og mjög skemmd rekstrarmörk, ná staðlaðar rafrænar skynjunaraðferðir hörðum líkamlegum takmörkunum. Til að lifa af þar sem hefðbundnir skynjarar bila hafa háþróaðir sjón- og ómunþrýstingsskynjarar verið þróaðir. Optískir þrýstingsskynjarar útiloka algjörlega flutning á rafmagni niður skynjaralínuna og nýta ljós sem ferðast í gegnum ljósleiðara-snúru sem aðalmiðlun upplýsinga. Ein algeng hönnun felur í sér örlítið Fiber Bragg grating uppbyggingu sem er fest á bak við sveigjanlega skynjunarþind. Þegar þrýstingur þenir þindið teygir það ljósleiðarann líkamlega og breytir smásæju bilinu innan ristarinnar.
Þegar breiðbandsljósgjafi er sendur niður trefjarnar endurspeglar breytta ristið ákveðna, breytta bylgjulengd ljóss aftur í ljósrófsmæli. Þar sem merkið er eingöngu samsett úr ljóseindum eru sjónþrýstingsnemar algjörlega ónæmur fyrir alvarlegum rafsegultruflunum, eldingum og háspennu rafsviðum. Þessi algera einangrun gerir þá að fyrsta vali fyrir olíu- og gasleit niðri í holu, há-geislunarsvæði innan kjarnorkuframleiðslustöðva og segulómun innan lækningasamstæða þar sem málmur og rafmagn eru stranglega bönnuð.
Ómun þrýstingsnemar, stundum nefndir sílikon sveifluskynjarar, taka allt aðra leið í átt að mikilli nákvæmni. Þessi tæki eru með ör-vélaðan sílikongeisla sem er vélrænt titraður á sinni náttúrulegu endurómtíðni inni í lofttæmihólfinu á bak við aðalþrýstingsþinduna. Þegar ytri þrýstingur afmyndar þindið, kynnir það togstreitu beint inn í titrandi kísilgeisla. Þessi vélræna spenna veldur því að ómtíðni geislans breytist upp á við, svipað og að herða gítarstreng hækkar hljóðhæð hans.
Vegna þess að hægt er að framkvæma mælingar á tíðnibreytingum rafrænt með nákvæmni sem er langt umfram mælingu á hliðrænum spennu eða rýmdbreytingum, bjóða ómun skynjarar upp á óviðjafnanlegan -langtímastöðugleika og ofur-nákvæmni. Þeir eru oft notaðir sem aðalkvörðunarstaðlar á rannsóknarstofu, í kortlagningu djúpsjávarmælinga á hafþrýstingi og í hágæða fluggeimforritum þar sem jafnvel brot af hundraðshluta mælinga er óviðunandi.
Niðurstaða
Mikið úrval tiltækra þrýstingsnema undirstrikar flóknar og fjölbreyttar kröfur nútíma tæknivistkerfis okkar. Frá mjög kostnaðar-hagkvæmum og massa-framleiðanlegum MEMS piezoresistive arkitektúr til ofur-nákvæmrar getu ómunartækja og mikils umhverfisónæmis ljósleiðara-ljósleiðara, táknar hver hönnunarmynd vandlega hannað svar við tiltekinni líkamlegri áskorun. Það er enginn einstakur tæknilegur sigurvegari á sviði þrýstingsflutnings; frekar, iðnaðurinn þrífst á háþróaðri svið sérhæfðra verkfæra sem eru hönnuð til að halda jafnvægi á nákvæmni, kraftmiklu svið, umhverfisþol og fjárhagslegan veruleika.
Þegar við horfum til framtíðar alþjóðlegs innviða mun mikilvægi þess að velja og skilja þessa mikilvægu þætti aðeins aukast. Uppgangur iðnaðar internetsins, sjálfstæðra rafflutninga og háþróaðrar sjálfvirkrar vélfærafræði krefst gagnaheilleika sem aðeins er hægt að veita með mjög bjartsýni þrýstingsnetum. Með því að samræma einstaka eðlisfræði skynjara við nákvæmar umhverfisþvinganir forritsins geta verkfræðingar smíðað kerfi sem eru ekki aðeins snjallari og móttækilegri, heldur í eðli sínu öruggari og sjálfbærari fyrir komandi kynslóðir.