في قياس الضغط، قد تلاحظ أن نتائج القياس لا تعكس فورًا التغيرات في ضغط الإدخال أو تتوافق تمامًا عندما يعود الضغط إلى حالته الأولية. على سبيل المثال، عند استخدام ميزان الحمام لقياس الوزن، يتطلب مستشعر الميزان وقتًا لاستشعار قراءة وزنك بدقة وتثبيتها. الوقت الاستجابةمن أجهزة الاستشعار يؤدي إلى تقلبات البيانات الأولية. بمجرد أن يتكيف المستشعر مع الحمل ويكمل معالجة البيانات، ستعرض القراءات نتائج أكثر استقرارًا.وهذا ليس عيبًا في المستشعر ولكنه سمة طبيعية للعديد من أجهزة القياس الإلكترونية، خاصة عندما تتضمن معالجة البيانات في الوقت الفعلي وتحقيق الحالة المستقرة. يمكن الإشارة إلى هذه الظاهرة باسم تباطؤ الاستشعار.
ما هو التباطؤ في أجهزة استشعار الضغط؟
الاستشعارالتباطؤيظهر عادةً عندما يكون هناك تغيير في الإدخال (مثل درجة الحرارة أو الضغط)، ولا تتبع إشارة الخرج تغيير الإدخال على الفور، أو عندما يعود الإدخال إلى حالته الأصلية، لا تعود إشارة الخرج بالكامل إلى حالتها الأولية . يمكن رؤية هذه الظاهرة على المنحنى المميز للمستشعر، حيث يوجد منحنى على شكل حلقة متأخرة بين الإدخال والإخراج، بدلاً من الخط المستقيم. على وجه التحديد، إذا بدأت في زيادة الإدخال من قيمة محددة معينة، فسوف يزيد خرج المستشعر أيضًا وفقًا لذلك. ومع ذلك، عندما يبدأ الإدخال في الانخفاض مرة أخرى إلى النقطة الأصلية، ستجد أن قيم الإخراج أعلى من قيم الإخراج الأصلية أثناء عملية التخفيض، مما يشكل حلقة أوحلقة التباطؤ. يوضح هذا أنه أثناء عملية الزيادة والتناقص، تتوافق قيمة الإدخال نفسها مع قيمتين مختلفتين للمخرجات، وهو العرض البديهي للتباطؤ.
يوضح الرسم البياني العلاقة بين الخرج والضغط المطبق في حساس الضغط أثناء عملية تطبيق الضغط، ممثلة في شكل منحنى التباطؤ. يمثل المحور الأفقي مخرجات المستشعر، ويمثل المحور الرأسي الضغط المطبق. يمثل المنحنى الأحمر العملية التي يزداد فيها خرج المستشعر مع زيادة الضغط تدريجيًا، مما يوضح مسار الاستجابة من الضغط المنخفض إلى الضغط العالي. يشير المنحنى الأزرق إلى أنه عندما يبدأ الضغط المطبق في الانخفاض، ينخفض خرج المستشعر أيضًا، من الضغط المرتفع إلى الضغط المنخفض، مما يوضح رد فعل المستشعر أثناء تفريغ الضغط. تعرض المنطقة الواقعة بين المنحنيين، وهي حلقة التباطؤ، الفرق في خرج المستشعر عند نفس مستوى الضغط أثناء التحميل والتفريغ، والذي يحدث عادةً بسبب الخصائص الفيزيائية والبنية الداخلية لمادة المستشعر.
أسباب تباطؤ الضغط
ظاهرة التباطؤ فيأجهزة استشعار الضغطيتأثر بشكل أساسي بعاملين رئيسيين يرتبطان ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الفيزيائية وآلية تشغيل المستشعر:
- التباطؤ المرن للمادة أي مادة سوف تخضع لدرجة معينة من التشوه المرن عندما تتعرض لقوى خارجية، وهي استجابة مباشرة للمادة للقوى المطبقة. عند إزالة القوة الخارجية، تحاول المادة العودة إلى حالتها الأصلية. ومع ذلك، فإن هذا الاسترداد لم يكتمل بسبب عدم التماثل داخل البنية الداخلية للمادة والتغيرات الطفيفة التي لا رجعة فيها في البنية المجهرية الداخلية أثناء التحميل والتفريغ المتكرر. وينتج عن ذلك تأخر في مخرجات السلوك الميكانيكي أثناء عمليات التحميل والتفريغ المستمرة، وهو ما يُعرف باسمالتباطؤ المرن. وتتجلى هذه الظاهرة بشكل خاص في تطبيقأجهزة استشعار الضغطحيث تحتاج أجهزة الاستشعار في كثير من الأحيان إلى قياس تغيرات الضغط والاستجابة لها بدقة.
- الاحتكاك في المكونات الميكانيكية لمستشعر الضغط، خاصة تلك التي تتضمن أجزاء متحركة، يكون الاحتكاك أمرًا لا مفر منه. قد يأتي هذا الاحتكاك من نقاط الاتصال داخل المستشعر، مثل نقاط الاتصال المنزلقة والمحامل وما إلى ذلك. عندما يتحمل المستشعر الضغط، يمكن أن تعيق نقاط الاحتكاك هذه حرية حركة الهياكل الميكانيكية الداخلية للمستشعر، مما يسبب تأخيرًا بين استجابة المستشعر واستجابة المستشعر. الضغط الفعلي. عندما يتم تفريغ الضغط، قد تمنع قوى الاحتكاك نفسها أيضًا الهياكل الداخلية من التوقف فورًا، وبالتالي تظهر أيضًا التباطؤ أثناء مرحلة التفريغ.
يؤدي هذان العاملان معًا إلى حلقة التباطؤ التي يتم ملاحظتها في أجهزة الاستشعار أثناء اختبارات التحميل والتفريغ المتكررة، وهي خاصية غالبًا ما تكون ذات أهمية خاصة في التطبيقات التي تتطلب الدقة والتكرار بشدة. للحد من تأثير ظاهرة التباطؤ هذه، يعد التصميم الدقيق واختيار المواد لجهاز الاستشعار أمرًا بالغ الأهمية، وقد تكون هناك حاجة أيضًا إلى خوارزميات برمجية للتعويض عن هذا التباطؤ في التطبيقات.
ظاهرة التباطؤ فيأجهزة استشعار الضغطيتأثر بعوامل مختلفة تتعلق مباشرة بالخصائص الفيزيائية والكيميائية للمستشعر وبيئة التشغيل الخاصة به.
ما هي العوامل التي تؤدي إلى تباطؤ الاستشعار؟
1. خصائص المواد
- المعامل المرن: يحدد المعامل المرن للمادة درجة التشوه المرن عند تعرضها للقوة. المواد ذات معامل المرونة الأعلى تشوه بشكل أقل، كما أنها تكون أقل تشوهًاالتباطؤ المرنقد يكون أقل نسبيا.
- نسبة بواسون: تصف نسبة بواسون نسبة الانكماش الجانبي إلى الاستطالة الطولية في المادة عند تعرضها للقوة، مما يؤثر أيضًا على سلوك المادة أثناء التحميل والتفريغ.
- البنية الداخلية: تؤثر البنية المجهرية للمادة، بما في ذلك البنية البلورية والعيوب والشوائب، على سلوكها الميكانيكي وخصائص التباطؤ.
2. عملية التصنيع
- دقة المعالجة: تؤثر دقة معالجة مكونات المستشعر بشكل مباشر على أدائها. تتلاءم المكونات ذات الدقة العالية بشكل أفضل، مما يقلل الاحتكاك الإضافي وتركيز الضغط الناجم عن سوء الملاءمة.
- خشونة السطح: تؤثر نوعية معالجة السطح مثل خشونة السطح على حجم الاحتكاك وبالتالي التأثير على سرعة استجابة المستشعر وتباطؤه.
- تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على الخواص الفيزيائية للمواد، مثل معامل المرونة ومعامل الاحتكاك. درجات الحرارة المرتفعة عمومًا تجعل المواد أكثر ليونة، مما يقلل من معامل المرونة ويزيد الاحتكاك، وبالتالي يزيد التباطؤ. وعلى العكس من ذلك، فإن درجات الحرارة المنخفضة قد تجعل المواد أكثر صلابة وأكثر هشاشة، مما يؤثر على التباطؤ بطرق مختلفة.
3. درجة الحرارة
- تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على الخواص الفيزيائية للمواد، مثل معامل المرونة ومعامل الاحتكاك. درجات الحرارة المرتفعة عمومًا تجعل المواد أكثر ليونة، مما يقلل من معامل المرونة ويزيد الاحتكاك، وبالتالي يزيد التباطؤ. وعلى العكس من ذلك، فإن درجات الحرارة المنخفضة قد تجعل المواد أكثر صلابة وأكثر هشاشة، مما يؤثر على التباطؤ بطرق مختلفة.
المخاطر
وجود التباطؤ فيأجهزة استشعار الضغطيمكن أن يسبب أخطاء في القياس، مما يؤثر على دقة وموثوقية المستشعر. في التطبيقات التي تتطلب قياسات عالية الدقة، مثل التحكم الدقيق في العمليات الصناعية ومراقبة المعدات الطبية الحيوية، يمكن أن يؤدي التباطؤ إلى أخطاء كبيرة في القياس بل ويتسبب في فشل نظام القياس بأكمله. لذلك، يعد فهم تأثير التباطؤ والتقليل منه جزءًا أساسيًا لضمان التشغيل الفعال والدقيقأجهزة استشعار الضغط.
حلول التباطؤ في أجهزة استشعار الضغط:
لضمان أدنى تأثيرات التباطؤ الممكنة فيأجهزة استشعار الضغط، اتخذت الشركات المصنعة العديد من التدابير الرئيسية لتحسين أداء المستشعر:
- اختيار المواد: يلعب اختيار المواد دورًا حاسمًا في التباطؤ. لذلك، يختار المصنعون بعناية المواد الأساسية المستخدمة في بناء أجهزة الاستشعار، مثل الأغشية، والأختام، وسوائل التعبئة، للتأكد من أنها تظهر الحد الأدنى من التباطؤ في ظل ظروف عمل مختلفة.
- تحسين التصميم: من خلال تحسين التصميم الهيكلي لأجهزة الاستشعار، مثل شكل وحجم وسمك الأغشية، وتحسين طرق الختم، يمكن للمصنعين تقليل التباطؤ الناجم عن الاحتكاك والاحتكاك الساكن وتشوه المواد بشكل فعال.
- علاج الشيخوخة: قد تظهر أجهزة الاستشعار المصنعة حديثًا تباطؤًا أوليًا كبيرًا. خلالعلاج الشيخوخةوبرامج اختبار محددة، يمكن تسريع المواد لتحقيق الاستقرار والتكيف، وبالتالي تقليل هذا التباطؤ الأولي. الصورة أدناه توضحXDB305يخضععلاج الشيخوخة.
- رقابة صارمة على الإنتاج: من خلال التحكم الصارم في التفاوتات والجودة أثناء عملية الإنتاج، يضمن المصنعون اتساق كل مستشعر وتقليل تأثير اختلافات الإنتاج على التباطؤ.
- المعايرة والتعويض المتقدم: تستخدم بعض الشركات المصنعة تقنية التعويض الرقمي المتقدمة وطرق المعايرة متعددة النقاط لنمذجة وتصحيح التباطؤ في مخرجات المستشعر بدقة.
- اختبار الأداء وتصنيفه: تخضع جميع المستشعرات لاختبارات تفصيلية لتقييم خصائص التباطؤ الخاصة بها. واستنادًا إلى نتائج الاختبار، يتم تصنيف المستشعرات لضمان طرح المنتجات التي تلبي معايير التباطؤ المحددة فقط في السوق.
- اختبار العمر المتسارع: للتحقق من استقرار أداء أجهزة الاستشعار طوال عمرها الافتراضي المتوقع، يجري المصنعون اختبارات عمر وعمر متسارعة على العينات لضمان بقاء التباطؤ ضمن الحدود المقبولة.
تساعد هذه التدابير الشاملة الشركات المصنعة على التحكم بشكل فعال في ظاهرة التباطؤ وتقليلهاأجهزة استشعار الضغطمما يضمن تلبية أجهزة الاستشعار لمتطلبات الدقة والموثوقية العالية في التطبيقات الفعلية.
وقت النشر: 09-05-2024