سنسور فشار غشایی (Diaphragm Pressure Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور فشار غشایی (Diaphragm Pressure Sensor) :
سنسور فشار غشایی از یک دیافراگم (غشاء) نازک و انعطاف پذیر به عنوان عنصر حسگر اصلی استفاده می کند. این دیافراگم معمولا از جنس فلز (فولاد زنگ نزن)، سیلیکون، سرامیک یا پلیمر ساخته می شود. با اعمال فشار به یک سمت دیافراگم (یا اختلاف فشار بین دو سمت)، دیافراگم خم می شود. میزان این خمش (جابجایی) متناسب با فشار اعمالی است. سپس این خمش توسط روش های مختلف (کرنش سنج، خازنی، القایی، نوری) به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. در واقع بسیاری از سنسورهای فشار که قبلا توضیح داده شد (پیزومقاومتی، خازنی و ...) نوعی سنسور فشار غشایی محسوب می شوند، اما در اینجا تمرکز بر روی خود دیافراگم به عنوان عضو مکانیکی است.
رفتار مکانیکی دیافراگم تحت فشار یکنواخت با استفاده از تئوری صفحات نازک تحلیل می شود. برای یک دیافراگم دایره ای نازک با لبه های گیردار، خمش مرکزی (
\[ y \]) از رابطه زیر به دست می آید:
\[ y = \frac{3(1-\nu^2)P R^4}{16 E t^3} \]که در آن
\[ P \]فشار،
\[ R \]شعاع دیافراگم،
\[ t \]ضخامت،
\[ E \]مدول یانگ و
\[ \nu \]نسبت پواسون است. این رابطه برای خمش های کوچک (کوچکتر از ضخامت) خطی است. برای خمش های بزرگتر، رفتار غیرخطی می شود (اثر دیافراگم سخت شونده). تنش ماکزیمم نیز در لبه های دیافراگم رخ می دهد.
\[ y_{max} = \frac{3(1-\nu^2)P R^4}{16 E t^3} \quad , \quad \sigma_{max} = \frac{3P R^2}{4 t^2} \]جنس دیافراگم بر اساس محدوده فشار، سازگاری شیمیایی با سیال، و دمای کاری انتخاب می شود. دیافراگم های فلزی (فولاد ضدزنگ) برای فشارهای بالا و محیط های خورنده مناسب هستند. دیافراگم های سیلیکونی (با روش های MEMS) برای سنسورهای کوچک و کم هزینه با حساسیت بالا استفاده می شوند. دیافراگم های سرامیکی (Al₂O₃) برای کاربردهای بسیار خورنده و دماهای بالا ایده آل هستند.
روش های تبدیل خمش به سیگنال الکتریکی: رایج ترین روش، نصب کرنش سنج ها (فلزی یا پیزومقاومتی) روی دیافراگم است. روش خازنی با در نظر گرفتن دیافراگم به عنوان یک صفحه خازن متحرک، حساسیت بالا و توان مصرفی پایین دارد. روش القایی با تغییر reluctance یا جابجایی هسته، برای کاربردهای صنعتی سنگین مناسب است. روش نوری با فیبر نوری یا تداخل سنجی، مصونیت الکترومغناطیسی کامل فراهم می کند.
کاربردهای سنسور فشار غشایی بسیار گسترده است و تقریبا تمام سنسورهای فشار مدرن را شامل می شود: از صنعت خودرو (فشار روغن، سوخت، تایر) گرفته تا پزشکی (فشار خون)، هوافضا، صنایع فرآیندی (شیمیایی و نفت)، لوازم خانگی (ماشین لباسشویی، ظرفشویی) و رباتیک. این سنسورها به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و هزینه تولید پایین، پرکاربردترین نوع سنسور فشار هستند.
طراحی دیافراگم باید به گونه ای باشد که ضمن داشتن حساسیت کافی، از شکست در فشارهای بیش از حد (overpressure) جلوگیری کند. معمولا از توقف گاه های مکانیکی (mechanical stops) برای محافظت در برابر فشارهای اضافی استفاده می شود. پیشرفت های اخیر شامل استفاده از مواد جدید (مانند گرافن) برای ساخت دیافراگم های فوق العاده نازک و حساس است.
