منبع مقاله با موضوع تقویت، تغییر، استرینگیج، جریان

در امتداد نیرو ?l 97و کرنش ایجاد شده در جهت عمود بر نیرو ?t98 نامیـــــده شود، رابطه این دو توسط معادله ?l = ? ?t مشخص میگردد. که ? ضریب پوآسون و مقدار آن برای اکثر فلزات بین 25/0 تا 4/0می باشد.[19]

شکل (2-6) تأثیر تنش وارده بر جسم (الف)تنش فشاری (ب)تنش کششی

2-4- سنسور استرینگیج
سنسوربه کار گرفته شده برای اندازهگیری تنفس یک پیزورزیستیو (استرینگیج) است. به طور کلی سنسور یک خاصیت فیزیکی را به خروجی ولتاژ تبدیل میکند. در این مورد، سنسور انتخابی یک استرینگیج مقاومت فشاری99 میباشد. هر استرینگیج دارای یک پوشش هادی است که مقاومت آن با کم و زیاد شدن طول آن به اندازه بسیار اندکی تغییر میکند که این تغییر طول در حدود میلینیوم اینچ است. به عبارت دیگر وقتی که یک کنداکتور الکتریکی (هادی) در معرض ازدیاد طول محوری قرارگیرد، مقاومت متغیری خواهد داشت که این مقاومت به هدایت ویژه ماده و شکل آن بستگی دارد.
گیجی که روی میلهای نصب شده باشد که نیرویی به آن وارد نشده است را گیج خنثی یا بی اثر میگویند. حال اگر یک میله با طول l که گیج به آن ضمیمه شده تحت فشار خم شود طول آن به اندازه ?l افزایش یافته و یک کرنش به اندازه ? ایجاد میکند. این استرین به گیج منتقل شده و موجب تغییر مقاومت آن به اندازه ?R میشود. بنابراین با اندازهگیری تغییرات مقاومت گیج و داشتن فاکتور گیج میتوان اندازه نیروی وارد شده را به دست آورد. (معمولاً فاکتور گیج قابل استفاده در صنعت از 2 تا 2/2 متغیر است).

2-4-1- جنس استرینگیجها
متداولترین نوع استرینگیج شامل یک لایه فلز نازک میباشد که توسط یک فرایند پیچیده100 به صورت ساختمان شبکهای درآمده و سپس روی یک رزین، شبیه به فیلم عکاسی قرار داده شده است. استرینگیجها از آلیاژهایی نظیر کنستانتان- نیکروم و یا آلیاژ پلاتینیوم ساخته میشوند. برای درجه حرارتهای مختلف شکل و جنس استرینگیجها متفاوت است. به عنوان نمونه، برای درجه حرارتهای بالا استرینگیجها از wire ساخته میشوند و برای درجه حرارتهای میانه، استرینگیجها از شکل دادن آلیاژ فلز به صورت صفحات خیلی نازک توسط مراحل و پروسههای فتوتکنیکی ساخته میشوند که تولید نهایی آن را foil-type می نامند. در شکل های (2-7) چند نوع استرینگیج نشان داده شده است.

شکل (2-7 الف ) انواع استرین گیجها
شکل (2-7 ب ) سنسور پیزو رزیستسو

در این تحقیق از سنسوری به عرض دو سانتیمتر و طول تقریبی ده سانتی متر استفاده شده است، که ساختار آن در شکل (2-7 ج ) نشان داده شده است.

شکل (2-7 ج ) ساختار سنسور پیزورزیستیو استفاده شده

در شکل (2-7 ج ) ساختار سنسور نشان داده شده در شکل (2-7 ب ) نشان داده شده است، این سنسور از سه لایه ساخته شده است، که لایه زیرین از یک لایه پلاستییکی نگه دارنده و یک یک ماده رسانا تشکیل شده است، لایه دوم یک رابر است که به نوار حاشیه سنسور ارتفاعی در حد کمتر از میلیمتر داده است و لایه بعدی نیز یک لایه نیمه رسانا است که در اثر نیروی وارده بر این سطح و با توجه به اینکه چه نسبتی از این سطح نیمه رسانا با رابر پایینی در تماس قرار میگیرد، میزان مقاومت این سنسور تغییر خواهد نمود، در واقع این ساختار رئوستایی تشکیل میدهد، که مقاومتم ان با هر گونه فشار تغییر خواهد نمود.

2-4-2- مقاومت الکتریکی استرینگیجها
رابطه بین تغییرات مقاومت و کرنش، با بررسی فاکتورهایی که در مقدار مقاومت مؤثر میباشند قابل محاسبه است. مقاومت یک میله با طول l و سطح مقطع A و مقاومت مخصوص ? برابر است با:
(2-1) R= ?l/A
در حالت کلی، هر سه پارامتر ?، l و A در اثر ایجاد کرنش تغییر کرده، به طوریکه تغییر مقاومت ?R با استفاده از حساب دیفرانسیل قابل محاسبه باشد.
?R= (?R/?l) ?l + (?R/?A) ?A + ( ?R/??) ??
?R= (?/A) ?l – (?l/A2) ?A + (l/A) ??
با تقسیم طرفین بر R= ?l/Aداریم:
(2-2) ?R/R=?l/l – ?A/A + ??/?
در رابطه فوق ?l/l همان ?l میباشد. از آنجایی که سطح مقطع شکل برابر است باA=w t ، لذا:
?A/A=?w/w + ?t/t = 2 ?t= -2 ? ?l
به طوری که ?t کرنش عمودی بر جسم میباشد. با جایگذاری در رابطه (2-2) بدست میآید:
(2-3) ??/? ?R= ?l + 2? ?l + ??/? = (1+2 ?) +
در اینجا ضریب دیگری به نام G یا فاکتور گیج101 که نسبت تغییرات نسبی مقاومت به کرنش میباشد، معرفی میگردد.
(2-4)?R/R0=G ?l G=(?R/R0)/ ?l
به طوری که R0 مقاومت در حالت بدون کرنش میباشد. به این ترتیب G برابراست با:
(2-5) G = 1 + 2? + (1/?l) (??/?)
برای بیشتر فلزات=0.3 ? می باشد و (1/?l) (??/?) که به نام) piezo resistive effect ( معروف است حدود 0.4 میباشد. در نتیجه G برای فلزات تقریباً 2 خواهد بود در صورتی که به جای فلز از نیمه هادی استفاده شود، مقدارG به50 الی250 افزایش مییابد. معمولاً نسبت دو پارامتر ?l/l را unit-strain یا u.s میگویند که با استفاده از این مقدار و دانستن ویژگیهای مواد ساختاری، تنفس وارده به میله را محاسبه میکنند. [20]

مطلب مشابه :  منبع پایان نامه ارشد دربارهمتانولی، آبی، باکتری، گیاه

شکل (2-8) فاکتورهای مؤثر در تعیین مقدار مقاومت

2-4-3- مشخصات استرینگیج (پیزورزیستیو) استفاده شده
سنسور فشار استفاده شده برای اندازهگیری تعداد تنفس در واحد زمان، دارای مقاومت تقریبی 1کیلو اهم و طول 20 سانتیمتر و از نوع پیزو میباشد.102

2-4-4- نصب سنسور
در صورتیکه سنسور خود به چسب آغشته نشده باشد، برای چسباندن استرینگیج باید از چسب مناسب استفاده شود. (سنسور مورد استفاده در این پروژ
ه دارای چسبان پشت بوده است). به منظور چسباندن استرینگیج باید سطحی که قرار است استرین گیج روی آن نصب شود، کاملاً صاف و یکنواخت بوده و تمیز باشد. به منظور جایابی برای نصب سنسور ، سطح جلویی بدن به چند المان تقسیم شده (این تقسیم بندی روی لباس انجام شده است) و در طی چندین عمل تنفس میزان تغییر طول بوجود آمده بر روی هر المان اندازه گیری شده است، المانهایی که بیشترین اختلاف را از نظر مقدار تغییر طول در طی یک عمل نفس کشیدن داشته باشند، (مشروط به آنکه به همدیگر نزدیک باشند) بهترین موقعیت را برای نصب سنسور نشان خواهند داد.

2-5- اندازهگیری تغییرات جزئی مقاومت[21]
برای اندازهگیری مقاومت اولین تکنیک قابل استفاده، تبدیل تغییرات مقاومت به یک جریان یا ولتاژ برای نشان دادن آن روی ولتمتر میباشد. اگر اندازهگیری مقدار جزئی از مقاومت، مورد نظر باشد ولتاژ متغیر کوچکی قابل مشاهده خواهد بود، برای مثال اگر جریان 5 میلی آمپری از استرینگیج ?120عبور داده شود، ولتاژ عبوری از گیج بایستی 6/0 ولت باشد. اگر مقاومت 1 میلی اهم تغییر کند تغییر ولتاژ بایستی) (?v 5 باشد. به منظور نشان دادن تغییرات 5 میکرو ولت لازم است که آن را به وسیله یک ضریب مثلاً تا 5 میلی ولت تقویت نمود. با این وجود باید تقریباً 6/0 ولت را هزار برابر تقویت نمود تا 600 ولت را مشاهده نمود که برای 5 میلی ولت نیز همین گونه است. تبدیل ولتاژ 5 میلی ولت به یک سیگنال 600 ولت مشکل است. بنابراین به مداری نیاز است تا فقط اختلاف ولتاژی را که به واسطه تغییر در مقاومت نتیجه میدهد را تقویت نمود. برای این منظور از مدار پل وتسون استفاده میشود.

2-5-1- پل وتسون
پل وتسون برای اندازهگیری مقاومت اهمی به کار میرود. این پل به صورت یک دستگاه مستقل نیز ساخته میشود. تغذیه این پل از نوعDC بوده و مدار الکتریکی آن در شکل (2-9) نشان داده شده است.

شکل (2-9) مدار الکتریکی پل وتسون

در یک بازوی پل، مقاومت مجهول و در سه بازوی دیگر آن مقاومتهای معلوم قرار میگیرند.
همانطور که اشاره شد فشرده شدن سنسور افزایش مقاومت یا اهم و خمش آن به سمت مخالف کاهش اهم را به همراه دارد. طبق رابطه?l/s R= که در آن ? مقاومت ویژه استرینگیج l طول وs سطح مقطع عرضی آن است با افزایش l مقاومت استرینگیج افزایش و با کاهش آن مقاومت استرین گیج کاهش مییابد. با توجه به شکل (2-9) مقاومت FSR استرینگیج است که با خمش و یا فشار، تغییر اهم داده و به صورت عکس هم عمل میکنند. یعنی افزایش مقاومت یکی باعث کاهش مقاومت دیگری شده و بالعکس. مقاومتهای ثابت در حدود اهم سنسور (1000) میباشند.
تغییر اهم استرینگیج براثر اعمال نیرو در حدود 5/0 اهم میباشد که باعث به وجود آمدن ولتاژی معادل چند میلی ولت میگردد زیرا برای کاهش تأثیر دما روی استرینگیجها مجبوریم جریان عبوری از پل را کم در نظر بگیریم تا تلفات حرارتی که باعث افزایش حرارت مقاومتها شده و مقاومت آنها را تغییر میدهد کمترین اثر را داشته باشد. (طبق رابطه V=R.I وقتی I کم باشد R و در نتیجه V نیز کاهش مییابد).

2-5-2- متعادلکردن مدار
از نظر تئوری ولتاژ خروجی پل وتسون، وقتی هیچ نیرویی روی استرینگیجها اعمال نمیشود باید صفر باشد. اما از آنجایی که مقدار مقاومتها دقیق نیست، در عمل این مقدار صفر نیست. ولتاژ خروجی استرینگیج بعد ازتقویت شدن، ممکن است روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش داده شود. اگر عدم تعادل کوچک باشد از طریق دکمه تنظیم صفر آمپلیفایر تعادل ایجاد میگردد. اگر عدم تعادل زیاد باشد یک مقاومت اضافی باید به طور موازی با یکی از بازوهای پل بسته شود تا تعادل ایجاد گردد.

مطلب مشابه :  منابع پایان نامه دربارهایده‌آل، گزینه، منفی، راه‌حل

2-6- فیلترها[22]
فیلترها مدارهایی هستند که توسط آنها میتوان فرکانس سیگنال یا باند فرکانسی معینی را از میان سایر فرکانسها انتخاب کرد و عبور سیگنال با فرکانسهای دیگر را مسدود نمود. فیلترهای الکترونیکی کاری مشابه فیلتر هوا انجام میدهند ولی در آنها ترکیب اجزای الکترونیکی از قبیل سلف و خازن و مقاومت و … به کار میرود. از این جهت فیلترها به دو دسته ایدهآل و واقعی تقسیم میشوند. فیلتر ایدهآل فیلتری است که در خروجی آن دقیقاً فرکانسهای مورد نظر ظاهر شود. ولی در فیلتر واقعی به علت استفاده از عناصر الکترونیکی، نمیتوان پاسخ فرکانسی ایدهآل داشت. چون این عناصر نمیتوانند مانند یک کلید عمل کنند و از عبور فرکانسهای ناخواسته جلوگیری کنند ولی دامنه فرکانسهای ناخواسته به تدریج کاهش مییابد.

2-7- تقویت کننده103

2-7-1- مفهوم تقویت و تقویت کننده در الکترونیک[23]
سیگنالهای الکتریکی خروجی از مبدلهایی نظیر میکرفون یا آنتن اغلب ضعیف هستند و احتیاج به دستگاههایی برای تقویت دارند که به آنها آمپلی فایر گفته میشود. اصولاً تقویت کننده را مطابق شکل(2-10) میتوان به صورت جعبهای فرض نمود که سیگنال ضعیفی به آن وارد و سیگنال خروجی تقویت شدهای از آن خارج میشود.

شکل (2-10) اصول عملکرد تقویت کننده

بنابراین تقویت کنندهها شامل سه قسمت اصلی منبع، تقویت کننده و بار میباشند. منظور از مـــنبع وسیلهای است که سیگنالهای الکتریکی ضعیف را برای تقویت شدن به تقویت کننده تحویل میدهد (سیگنال خروجی پل) و بار وسیلهای است که سیگنال تقویت شده به آن تحویل داده میشود (مبدلA/D).

2-7-1-1- چگونگی تقویت در ترانزیستور[20]
مدار شکل (2-11) که در آن از یک ترانزیستور nPn به عنوان تقویت کننده استفاده شده را در نظر بگیرید.

شکل (2-11) مداری شامل ترانزیستور nPn
به عنوان تقویت کننده

منبع سینوسی فوق باعث تغییرات جریانی برابر01/0 میلی آمپر میشود. به این معنی که علاوه بر جریان DCدر بیس ترانزیستور، جریان متناوبی با دامنه 01/0 میلی آمپر وجود دارد. با فرض این که ? (ضریب تقویت جریان) ترانزیستور مزبور 100 باشد، جریان متناوب ایجاد شده در کلکتور به صورت زیر است:

نمودار (2-1) میزان تقویت جریان متناوب در کلکتور ترانزیستور
IC = ? IB 01/0×100=1
در هر حال جریان متناوب ایجاد شده در کلکتور ترانزیستور صد برابر جریان متناوب در پایه104 ترانزیستور است. همچنین جریان مزبور در مقاومت 10 کیلو اهمی ولتاژی برابر10 = 1×10 ایجاد می نماید. در نتیجه ولتاژ سینوسی که دامنه ای برابر 2/0 ولت داشته باشد تبدیل به ولتاژی با دامنه 10 ولت گردیده است. یعنی 50 برابر شده است.

2-7-1-2 پارامترهای تقویت کننده[20]
وظیفه یک تقویت کننده، تقویت سیگنال متناوب یا AC است. البته یک تقویتکننده برای تقویت نیاز به انرژی DC نیز دارد. در این بخش پارامترهای AC تقویتکننده بررسی میشوند:
اگر ولتاژ و جریان تقویت کننده را در ورودی Vi، Ii و در خروجی Vo، Io بنامیم چهار پارامتر اصلی برای تقویت کننده قابل تعریف است:

شکل (2-12) پارامترهای اصلی تقویت کننده

(الف) ضریب تقویت جریان: نسبت جریان خروجی به ورودی /II AI=IO
(ب)ضریب تقویت ولتاژ: نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی V=VV/VI (ج)امپدانس ورودی: نسبت ولتاژ ورودی به جریان ورودیZI=VI/II
(د) امپدانس خروجی: نسبت ولتاژ خروجی به جریان خروجیZO=VO/IO چون کمیتهای ولتاژ وجریان فوق از نوع متناوب هستند، مقدار مؤثر آنها در روابط قرار میگیرد.

2-7-2- تقویت کننده های عملیاتی105 [23]
همانطور که قبلاً بیان شد تغییر اهم استرینگیج بر اثر اعمال نیرو در حدود 5/0 اهم میباشد که باعث به وجود آمدن تغییر ولتاژی معادل چند میلی ولت میگردد. اندازهگیری این تغییر ولتاژ توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال ( ADC ) به علت کم بودن دامنه ولتاژ امکانپذیر نیست. بنابراین به یک تقویتکننده سیگنال در حد قابل قبول برای ADC نیاز میباشد. تقویت کنندههای عملیاتی برای تقویت سیگنالهای الکتریکی آنالوگ که دارای دامنه خیلی کوچک میباشند، استفاده میگردد. این تقویت کنندهها در سال 1940 برای استفاده در کامپیوترهای عملیاتی توسعه یافتند. آمپلی فایرهای عملیاتی اولیه از تیوپهای خلأ استفاده میکردند و اندازه آنها بسیار بزرگ بود و انرژی قابل توجهی را مصرف می کردند. در سال 1967، فرچیلد106 اولین op-amp مدار مجتمع را معرفی کرد. امروزه تقویت کنندههای عملیاتی مدار مجتمع به مراتب بهتر از تیوپهای خلأ قبلی بوده و فوقالعاده کوچکترند.
Op-amp یک تقویت کننده با عملکرد خطی بالاست. هر op-amp دو ورودی، وارون(+) و غیر وارون(-)، و یک خروجی دارد.

Leave a Comment