تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - سنسور گشتاور و نم و نور وco2

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

سنسور گشتاور

سنسور یا ترنسدیوسر گشتاور وسیلهای است برای تبدیل، اندازهگیری و ثبت گشتاور سیستمهای گردنده مثل میللنگ موتور یا شفتژنراتور و ... دو مدل گشتاور بنام گشتاور استاتیکی و گشتاور دینامیکی وجود دارد. اندازهگیری گشتاور استاتیکی بطور نسبی ساده است اما اندازگیری گشتاور دینامیکی بدلیل اینکه نیاز به انتقال اثراتی مثل مغناطیس و الکتریسیته از شفت تحتاندازهگیری به یک سیستم استاتیک دارد بمراتب مشکلتر است.

معمولاً سنسورهایی که بعنوان سنسور گشتاور بکار میروند از نوع استرینگیج Strain Gage اند که روی شفت در حال چرخش سوار میشوند. به دلیل اینکه سنسور نیاز به تغذیه دارد و در ضمن سیگنال خروجی هم بایستی قرائت شود، اندازهگیری گشتاور دینامیک کمی مشکلتر میشود. برای اینکار معمولاً در سیستمهای قدیمیتر از رینگهای لغزنده حلقوی استفاده میشد که در سیستمهای نو از سنسورهای وایرلس بخصوص تکنولوژی پیزوالکتریک استفاده میشود. بعلاوه با کمک روشهای ارسال وایرلس، اکنون حتی ADCها و رکوردرها را هم میتوان روی شفت قرار داد و دقت اندازه­گیری را به میزان بالایی افزایش داد.

سنجش گشتاور با تکنیک پیزواکتریک بر اساس SAW و BAW قرار دارد (بعنوان مثال به کاتالوگ SAW Torque Sensor از شرکت هانی ول در اینجا مراجعه کنید). یکی از کاربردهای سنسور گشتاور در موتور اتومبیل منجر به کاهش مصرف سوخت میشود که میتوانید آنرا در این مقاله مشاهده کنید. برای اینکه در مورد سنسورهای بر اساس اثر SAW بیشتر بدانید نخست باید کمی در مورد تئوری امواج Rayleigh یا تئوری Surface Acoustic Wave مطالعه کنید. فرض کنید دو عدد شانهی سر را طوری در هم فرو کنید که دندانههای آنها هیچ تماسی با هم نداشته باشند. در اینحالت شما ساختاری را درست کردهاید که به آن اصطلاحاً مبدل اینتردیجیتال یا Interdigital Transducer یا IDT میگویند. اکنون اگر این ساختار را با ماده­ای مناسب روی یک زیرلایه از جنس پیزوالکتریک (مثلاً کوارتز) پیاده کنید و به دو سر آن یک ولتاژ ac با فرکانسی مشخص اعمال کنید، در سطح مادهی زیرلایه موجی سطحی منتشر خواهد شد که به آن SAW میگویند. اگر در طرف دیگر زیرلایه یک ساختار IDT دیگر داشته باشیم، پس از تولید موج سطحی توسط IDT اول (که به آن Input IDT) میگویند، دو سر IDT دوم ولتاژی ایجاد خواهد شد که فرکانس آن با فرکانس موج ورودی در شرایط نرمال که هیچ اثر مکانیکی از خارج بر زیرلایه وارد نشده است تقریباً یکی است. اما با اعمال کمیتی نظیر فشار یا استرس یا دما و .... بر زیر لایه، فرکانس موج سطحی دو سر IDT خروجی با فرکانس تولیدی در IDT اول متناسب با تغییر مکانیکی اعمال شده (که آنرا در قالب تغییرات جرم یا Mass Loading میشناسیم) تغییر خواهد کرد. فرکانس تولیدی در IDT اول بسته به فاصله دندانههای شانهای شکل آن از یکدیگر، شکل و طول آنها در راستای عمود بر سطح دندانهها در سطح زیرلایه منتشر میشود (به علاقمندان سنسورهای برپایه SAW توصیه میکنم حتماً این فایل پیدیاف از سلسله فایلهای آموزشی IEEE بخش UFFC را دانلود کنند).

اما برای اندازهگیری گشتاور یک شفت با SAW، دو عدد رزوناتور SAW را بصورت نصف پل (Half-Bridge) بهم متصل و روی شفت با زاویه 45 درجه نسبت به محور شفت محکم میبندند (شکل یک).




شکل یک: ساختار سنسور برای اندازهگیری گشتاور (با تشکر از پروفسورLeonhard M. Reindl و دانشگاه Clausthal University of Technology)

اکنون با اعمال یک موج RF (معمولاً 200 مگاهرتزی) بصورت وایرلس به SAW، در طرف دیگر آن بسته به میزان دوران و گشتاور اعمال شده از شفت به SAW بعنوان اثربار، فرکانس موج دریافتی تا یک مگاهرتز تغییر خواهد کرد. بر این مبنا، گشتاور اندازهگیری شده میتواند تا دقتی معادل 1ppm داشته باشد. این تکنیک توسط کمپانی سنسورتکنولوژی بکارگرفته شده و حاصل آن در شکل دو خلاصه شده است. برای اطلاعات بیشتر درباره عملکرد این سیستم به وبسایت شرکت سنسور تکنولوژی در اینجا مراجعه کنید.




شکل دو: سیستم کامپکت شده اندازهگیری گشتاور با کمک SAW از سنسورتکنولوژی (با تشکر از پروفسور Leonhard M. Reindl و دانشگاه Clausthal University of Technology

http://sensors.blogfa.com/8812.aspx

سنسورهای نم و رطوبت

سنسورهای مقاومتی نقطه شبنمDewpoint مانند سنسورهای رطوبت Humidity و نم Moisture در زمره سنسورهای شیمیایی محسوب شده واغلب بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم یا نازک ساخته میشوند. این سنسورها براساس میزان بخار آب جذب شده در لایه متخلخل غیررسانایی که بین دو لایه رسانا بصورت ساندویچ درآمده و برروی یک زیرلایه سرامیکی قرار دارد کار میکنند. در این حالت ظرفیت خازنی بین دو صفحه با توجه به میزان رطوبت محیط تغییر میکند. در حالتی که تغییرات مقاومتی سنسور مد نظر باشد لایه متخلخل روی ساختاری الکترود شکل (IDT) قرار داده میشود و در نتیجه سنسور به سرعت به تغییرات نم موجود در لایه متخلخل واکنش نشان داده و مقاومت بین دو لایه رسانا را تغییر میدهد (مقاله ای از ساینس دایرکت در مورد سنسور رطوبت مقاومتی با ماده متخلخل از جنس ZnCr2O4-LiZnVO4 را از اینجا دانلود کنید).



فایده اصلی تکنیک فیلم ضخیم سادگی، ارزانی، قابلیت ساخت سیستم الکترونیکی بهمراه سنسور، و امکان توسعه مواد با خواص الکتریکی متفاوت مانند پیزورزیستیو، پیزوالکتریک، مگنتورزیستیو، ترموالکتریک، و پیروالکتریک و ... برروی سابستریت یا زیر لایه است.

بطور کلی سه گروه از مواد برای ساخت سنسورهای نم و رطوبت استفاده میشوند: الکترولیتها، پلیمرهای ارگانیکی، و سرامیکها. سنسورهای تجاری رطوبت اغلب از فیلمهای پلیمری و سرامیکهای متخلخل ساخته میشوند. از طرفی سنسورهای پلیمری رطوبت و نم از مشکلات هیسترزیس، زمان پاسخ آهسته، رانش و افت در پاسخ بویژه هنگام تماس طولانی مدت با بعضی از حلالها رنج میبرند.

با توجه به اینکه سنسورهای رطوبت و نم از خانواده سنسورهای شیمیایی می باشند، مکانیزم حسگری در این سنسورها نیز وابسته به خواص bulk و سطح ماده سرامیکی دارد. خواص الکتریکی و حساسیت سنسور در نهایت توسط میزان تخلخل، متوسط اندازه ذرات ماده حساس به رطوبت، فاصله دو لایه رسانه، ابعاد سنسور و ... تعیین میشود.

http://sensors.blogfa.com/8811.aspx

سنسورهای شیمیایی فیبر نوری یا بطورخلاصه FOCS در انواع بسیار مختلفی ارائه میشوند که میتوانند غلظت نمونه های بیولوژیک طبیعی یا دارای بارالکتریکی را اندازه بگیرند. یکی از مهمترین سنسورهای شیمی تجزیه سنسور pH است، دراینجا عملکرد این سنسور FOCS را مورد بررسی قرار میدهیم.

این سنسور شامل سه بخش اصلی است: منبع نور، اُپترود، و دتکتور. قسمت اصلی سنسور در واقع اُپترود است که شامل نشانگری است که تغییرات خواص نوری آن وابسته به ماده مورد تجزیه (آنالیت) است. در اغلب موارد، بکارگیری نشانگر ضروری است چونکه آنالیت بخودی خود تغییرات صورت درگرفته در نوربازتابیده را نشان نمی دهد. نشانگر میتواند بسته به نوع کاربرد عوض شود، مثل نشانگر شدت فلورسانس یا نشانگر شدت جذب نور. برای داشتن بیشترین دامنه حساسیت، طول موج منبع نور با طول موج نشانگر یکی انتخاب میشود. بخش دتکتور که معمولاً یک فوتودیود یا PMT است، سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی برای پردازش در مرحله بعد تبدیل میکند. شکل زیر (یک) عملکرد کلی یک سنسور pH براساس جذب نوری را نشان میدهد (برای مشاهده عملکرد یک PMT به اینجا بروید یا از این لینک بازدید کنید).



شکل یک: نمایش عملکرد سنسور pH براساس نشانگر جذب نور

پالسهای نور توسط یک LED کوپل شده به فیبرنوری به یک غشای (membrane) حساس به pH فرستاده میشود (دیود پایینی در شکل زیر). غشای حساس مقدار جذب شوندگی نور را (یا به عبارت بهتر رنگ آنرا) متناسب با میزان pH تغییر میدهد. اگر میزان نور جذب شده خیلی کم باشد نور تقریباً با همان طیف ارسال شده مجدداً به فوتودیود (دیود بالایی) بازمیگردد. وقتی pH نمونه تغییر کند جذب نور غشا حساس افزایش یافته در نتیجه شدت پالس برگشتی کمتر میشود (شکل دو).



شکل دو: تغییر در pH محلول باعث تغییر شدت پالس برگشتی میشود.

نور معمولاً بصورت موج مربعی مدوله میشود تا از اثرات نور محیط روی اندازهگیری حذف شده و میزان سیگنال به نویز سیستم افزایش یابد.

سنسورهای اُپترود بعلاوه میتوانند براساس بکارگیری نشانگر فلورسانس ایموبلیز شده (immobilized) در غشای سنسور ساخته شوند. در این حالت منبع نور فلورسانس مولکولهای نشانگر را تهییج میکند تا نوری با طول موج متفاوت را منتشر سازند (شکل سه). در این حالت ماده تحت آنالیز (آنالیت) میتواند برروی شدت تشعشع فلورسانس، که دامنهی متفاوتی نسبت به پالسهای برگشتی دارد، تاثیر گذارد (شکل چهار).

http://sensors.blogfa.com/8810.aspx

اُپتود یا اُپتــرُد Optode / Optrode سنسوری است که توسط تشعشع نور خواص ماده ای مشخص را بکمک مبدلی شیمیایی می سنجد. یک اپتود برای اینکه کار کند نیاز به سه مولفه دارد: یک ماده شیمیایی که به آنالیت پاسخ میدهد، یک پلیمر برای ایموبلیز (ثابت) کردن مبدل شیمیایی، و دست آخر تجهیزاتی مانند فیبر نوری، منبع نور، آشکارساز و سایر تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز.



اپتودها معمولاً شامل ماتریس پلیمریی هستند که روی سر فیبر نوری پوشانده میشود ولی در مورد اپتودهای موج محو شونده و ناپایدار، پلیمر روی بخشی از فیبر که بدون روکش است پوشانده میشود.

تعریف موج محوشونده: این موج یک موج ایستای میدان نزدیک است که شدت آن با فاصله از لبه ای که موج در آن ایجاد شده است بصورت نمایی کاهش میآبد.

اپتودها مدلهای اندازه گیری نوری مختلفی مانند انعکاس، جذب، موج محوشونده، لومینانس (فلورسانس، فسفرسانس)، نورتابی شیمیایی (chemiluminescence)، رزونانس سطحی پلاسمون surface plasmon resonance را بکار میبرند. معروفترین متد بکاررفته در اپتودها استفاده از لومینانس است.

لومینانس در حلال از رابطه خطی استرن-وُلمر Stern-Volmer پیروی میکند. فلورسنس یک مولکول توسط آنالیتهای معینی خاموش میشود، مثلاً فلورسنس ترکیبات روتنیوم توسط اکسیــــژن حذف میشود. وقتی فسفر درون ماتریس پلیمری ایموبلیز (بی تحرک) میشود ریزمحیطهای بیشماری را ایجاد میکند. این ریزمحیطها تغییرات ضرائب نفوذ آنالیت را منعکس میکنند. اینکار منجر به ایجاد یک رابطه غیر خطی بین فلورسنس و خاموشگر (آنالیت) میشود. این رابطه با روشهای زیادی مدل میشود و معروفترین آنها مدل دو مکانی جیمز دیماس (Two Site Model, James Demas) از دانشگاه ویرجینیا است.

سیگنال فلورسنس به نسبت اکسیژن خطی نیست و اُپتود بیشترین حساسیت را در غلظت پایین اکسیژن دارد، به بیان دیگر حساسیت با افزایش غلظت اکسیژن کاهش میآبد. در هر صورت سنسورهای اُپتود در تمام ناحیه 0 تا 100 درصدی اکسیژن حل شده در آب کار میکنند.

اُپتو سنسورها با توجه به قیمت بسیار پایین، توان بسیار کم، و پایداری طولانی مدت رشد بسیار سریعی داشته و از محبوبیت بسیار زیادی برخوردارند. این سنسورها قابلیتهای بیشتری نسبت به سنسورهای برپایه الکترود و تجهیزات تحلیلی پیچیده تر از خود نشان میدهند و بازار قابل توجهی را بخود اختصاص داده اند.

اُپتود اکنون بعنوان بهترین تکنیک ساخت بیوسنسورها شناخته میشوند.

همانطوریکه در پستهای قبلی نیز گفته شد، کنترل هوای آلوده محیط اطراف یکی از دغدغه های مهندسین محیط زیست است. هوا ترکیبی از گازهای متفاوت است که با توجه به محیط سنجش ممکن است شامل گازهایی نظیر ساکس (SOx – خانواده اکسید سولفور مانند SO، SO2 و ...)، ناکس (NOx – خانواده اکسید نیتروژن مانند اکسید نیتریک NO، دی اکسید نیتروژن NO2، تری اکسید دی نیتروژن N2O3، اکسید نیتروژن N2O و ...)، آمونیاک (NH3)، سولفید هیدروژن (H2S)، منواکسیدکربن (CO) و یا ترکیباتی مانند فرّار آلی باشد. در این بین CO یکی از مهمترین گازهایی است که در عرصه تحقیق سنسورهای گاز مورد استفاده محققان قرار گرفته است. بعلاوه، ساخت سنسورهای گاز با حداقل قیمت و در دسترس قرار داشتن آن برای همه یکی از مهمترین موضوعات تحقیق است.

در این بین سنسورهای گاز فیلم ضخیم سهولت ساخت و در نتیجه قیمت بسیار پایینی را بهمراه خود دارند. اما مشکل اساسی در توان بالای هیتر این سنسورهاست، بطوریکه بعنوان مثال برای تشخیص یکی از گازهای فوق نیاز به تولید دمای بیش از 250 درجه سانتیگراد توسط هیتر است. در نتیجه در بهترین حالت طراحی و با حداقل هزینه، تلفات توان هیتر به حدود 450 میلی وات میرسد (این محاسبه برای میندری Meander از جنس پلاتین که در سطحی معادل 4 در 7 میلیمتر، بطول متوسط 36 میلیمتر و به ضخامت متوسط 10 میکرومتر روی یک زیرلایه از جنس آلومینا به ضخامت 250 میکرون پرینت و در دمای هزار درجه سانتیگراد فایر شده صورت گرفته است – مقاومت هیتر در دمای اتاق در حدود 2±33 اهم اندازه گیری شد) و این یعنی نیاز به 150 میلی آمپر جریان برای ولتاژ 5 ولتی هیتر.

در نتیجه استفاده از این تکنولوژی ساخت تنها در مرحله تحقیق – برای بررسی فوری پاسخ سنسور نسبت به مواد استفاده شده در لایه اکتیو – و در محلی که تلفات توان چندان مهم نیست و یا دمای محیط در حد دمای مورد نیاز برای کار سنسور – مانند اگزوز اتومبیل – و ... است، باقی می ماند. در عین حال ترکیب این تکنولوژی با تکنولوژیهای رایج دیگری مانند فیلم نازک می تواند به کاهش مطلوب تلفات هیتر منجر شود.

در پستی در مورد ساختار سنسورهای گاز بر مبنای تکنولوژی MEMS توضیح دادم. در این پست قصد دارم تا بخشی از تجربیات خویش در زمینه بکارگیری بیشتر این تکنیک در ساخت سنسور گاز را ارائه کنم.

همانطوریکه قبلاً هم گفته شد، سنسورهای گاز که بر اساس ماشینکاری بر روی زیرلایه Si ساخته میشوند بواسطه سازگاریشان با پروسه ساخت ICها بسیار امیدبخش هستند. این تکنولوژی برای اولین در دهه 90 میلادی و با ساخت نخستین میکرو صفحات داغ MHP یا Micro-Hot-Plate توسط گروه NIST و با چاپ مقاله ای در 1993 آغاز شد. در یک دهه گذشته فعالیت پیرامون ساخت سنسورهایی با حداقل توان مصرفی موضوع روز تحقیقات شد. یکی از مشکلات پیش رو در این زمینه ساختار شکننده غشای بسیار نازک دی الکتریکی بود که باید MHP را از بقیه اجزای چیپ جدا میکرد.

کلاً اکسیدهای نیمه هادی مانند دی اکسید قلع SnO2 و تری اکسید ایندیوم In2O3 در زمره مواد عالی از نقطه نظر شیمیایی مقاوم برای تشخیص گاز می باشند. سنسورهای گاز فیلم ضخیم SnO2 جزو ارزان قیمت ترین سنسورهای گازند که پاسخی بسیار عالی در مواجهه با گازهای متنوع دارند. البته این پاسخ بسته به نوع دوپینگ و دمای کار سنسور فرق خواهد کرد و در نتیجه بعد از ساخت سنسور نیاز به مشخص کردن دمای کار سنسور برای تشخیص گاز مورد نظر است.

همچنین خود SnO2 این قابلیت را دارد که با تغییر دمای Sintering یا کلوخه سازی از 550 تا 1150 درجه سانتیگراد (مثلاً در بازه های 100 درجه ای) ساختار و فرم کریستالیش تغییر کند و در نتیجه حساسیت های متفاوت نسبت به گازهای متفاوت در آن ایجاد شود. بطور خلاصه میتوان عوامل موثر بر قدرت انتخاب و یا Selectivity سنسورهای بر پایه اکسید قلع را بصورت زیر برشمرد:

ماده دوپینگ و میزان آن، دمای کار، تغییر در کریستال و مورفولوژی SnO2، نوع و شکل IDT (کنتاکتها)، نوع و ضخامت لایه فیلتر و کاتالیست، ضخامت لایه اکتیو (موثر در جذب سطحی Adsorption یا جذب در حجم Bulk و سپس دفیوز Defuse به سطح) و ...

اما برای اینکه از بحث اصلی که طراحی سنسور گاز MEMS است دور نشویم، بطور خلاصه متذکر میشوم که این سنسور شامل هیتری پلاتینی با ساختار MHP و لایه ای حساس به گاز از جنس SnO2 است که مانند سایر انواع سنسورهای گاز کانداکتیو بر روی الکترودهایی از جنس طلا با ساختار IDT (Interdigitated Electrode) نشانده شده است. کل مجموعه فوق در مرکز یک غشای بسیار نازک دی الکتریک قرار گرفته است.

برای ساخت این سنسور، هفت ماسک متفاوت نیاز است که بترتیب عبارتند از: حفره بالایی، MHP، عایق، الکترود، کنتاکتها، لایه حسگر، و سرانجام حفره زیرین.

از آنجایی که این ساختار تقریباً مشابه ساختاری است که قبلاً در مورد آن توضیح دادم، از این رو میتوانید به همان تصویر استناد کنید.

اما آنچه در این پست مد نظر است و در واقع مهمترین بخش این نوع از سنسور گاز است ساخت هیتر آن میباشد، چرا که کنترل و توزیع دمای مورد نیاز برای Reaction در سطح نیمه هادی به این المان بستگی دارد. رنج دمای مورد نیاز برای سنسورهای گاز بر اساس SnO2 معمولاً کمی کمتر از 450 درجه سانتیگراد است که البته به نوع گاز مورد هدف بستگی دارد. در نتیجه لازم است هیتری طراحی شود که قادر باشد در رنج گسترده دمای اتاق تا 450 درجه سانتیگراد کار کند. برای این منظور به ماده ای نیاز است که دارای ضریب انبساط حرارتی قابل قبولی بوده، بعلاوه مقاومت الکتریکی آن با تغییر دما خیلی تغییر نکند. مواد مناسب برای اینکار پلاتین و اکسید روتنیوم Ru2O یا Ruthenium Oxide مناسبترین مواد هستند [مقاله بسیار مفید در مورد سنسور گاز با هیتر روتنیومی را از اینجا دانلود کنید. همچنین در سال 2005 دانشگاه دیوک آمریکا نیز از نانو وایرهای RuO2 برای ساخت سنسور گاز اکسید نیتریک استفاده کرد.]. در این طرح برای ساخت هیتر از پلاتین استفاده شده است. بدین ترتیب که هیتر پلاتینی درون غشای Si3N4 قرار گرفت.

http://sensors.blogfa.com/8807.aspx

سنسورهای گاز باید بطور منظم کالیبره و چک شوند تا از میزان دقت سنسور و سیستم قرائت آن اطمینان حاصل شود. برای تست منظم سنسورهای گاز ، بهتر است آنها را در مکانی نصب کرد که دسترسی به آنها آسان باشد. معمولاً زمان بازدید و کالیبره کردن سنسورها توسط سازنده سنسور در کاتالوگ آن ارائه شده است. اما بهر حال تجربه نشان میدهد که در بازه زمانی 30 روزه بعد از نصب سنسور بهتر است سنسور بطور مرتب مانیتور و چک شود، چرا که میزان تطابق پذیری یا Adaptability سنسور با محیطی که در آن نصب شده است در همین مدت 30 روز مشخص خواهد شد.

مسائل و مشکلاتی مانند اثر حرارت مستقیم، میزان رطوبت، و لرزش محل نصب تاثیر خود را براحتی در طی این سی روز نشان میدهد. در صورتیکه قصد چکاپ سنسور گاز بعد از نصب را دارید بهترین برنامه تست چهار روز درمیان سنسور در سی روز اول است.

کالیبریشن سنسورهای گاز در محل بسیار ساده تر از روش کالیبراسیون آزمایشگاهی است و کلاً شامل دو مرحله میشود: ا. ابتدا صفر Zero تنظیم میشود و 2. سپس محدوده قرائت یا اندازه گیری Span کالیبره میشود.

1. تنظیم صفر: بسیاری بر این عقیده اند که برای تنظیم صفر سنسور گاز بهترین کار اعمال نیتروژن یا ترکیبی از هوای تمیز - با رطوبت معین - به سنسور و سپس اندازه گیری سیگنال خروجی سنسور است. البته این روش برای محیطهایی نظیر آزمایشگاههای مواد غذایی، بیمارستانها و ... ممکن است کاربرد داشته باشد اما در محیطهای صنعتی این روش ، روش جالبی نیست چرا که محیط نرمال در چنین اماکنی دارای حداقل گازهایی است که میتوان از آنها بعنوان شاخص صفر استفاده کرد. همچنین باید میزان رطوبت نرمال محیط را مد نظر داشت. در این صورت تنظیم صفر سنسور بسیار واقع گرایانه می نماید.

2. تنظیم Span: تنظیم محدوده عملکرد سنسور گاز هم میتواند بسیار ساده باشد و هم بسیار پیچیده. در حالتی که سنسور گاز برای مانیتور کردن گازهای بیخطر و نرمال بکار میرود، تنظیم محدوده عملکرد سنسور با ایجاد و اعمال یک زمینه یا Background از ترکیبی از گازهای هدف به میزان مشخص میتواند منجر به تعیین محدوده عملکرد سنسور شود. از طرفی اگر سنسور گاز بعنوان مثال سنسور هیدروژن یا H2S باشد در اینصورت ریسک و خطر کالیبره کردن سنسور بسیار بالا میرود. بعضی از مهندسین توصیه میکنند که در این مواقع سنسور را کالیبره کردن به آزمایشگاه انتقال داد و سپس در محیط ایمن نسبت به تست آن اقدام کرد. این روش البته بسیار دقیق و با ریسک بسیار پایین است اما هزینه بر و زمان بر است. در اینصورت استفاده از کیسه های پلاستیکی Gas Sampling Bag حاوی مقدار بسیار اندکی از گاز هدف (تصویر یک) و یا بکارگیری ظروف کالیراسیون Calibration Can (تصویر دو) جایگزین مناسبی هستند تا سنسور را در محل کالیبره کرد.

http://sensors.blogfa.com/8806.aspx

ایده اندازه گیری میزان دی اکسید کربن در محیطهای بسته و سپس کنترل و تنظیم سیستمهای تهویه سالهاست که مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است. عده ای معتقدند که این روش بیشتر از آنکه سودده باشد آنالیزکننده است. اساس این روش بدین شرح است: بیشتر از آنچه مورد نیاز است از محیط خارج هوا وارد محیط داخل نکنیم، چرا که این هوای اضافی باید خنک شود، گرم شود، رطوبت آن گرفته شود، مرطوب گردد، فیلتر شود و ...

در عوض، میتوان تعداد افراد درون محیط بسته را شمارش کرده و با استفاده از یک وسیله کم مصرف نرخ هوای تازه ی ورودی را کنترل نمود. با توجه به اینکه همه ما در بازدم دی اکسید کربن بیرون میدهیم، اندازه گیری میزان این گاز می تواند تخمین نسبتاً دقیقی از فضای اشغال شده در اتاق و کیفیت هوای آن را ارائه کند. این سیستم که بصورت کنترل تهویه بر اساس میزان تقاضا کار میکند اختصاراً Demand-Control Ventilation System یا DCV نامیده میشود. سیستم DCV در کم کردن اتلاف انرژی بسیار موثر است و تا 15 فوت مکعب بر دقیقه هوای تازه را برای حداکثر میزان فضای اشغال شده ارائه میکند.

استفاده از سنسورهای CO2 تقریباً در بسیاری نقاط بصورت یک اجبار درآمده و قوانین مربوط به آن نیز وضع شده است. ماده 24 کمسیون انرژی کالیفرنیا بر استفاده از سیستم DCV در اماکنی با بیش از 25 نفر بر 1000 فوت مربع تصریح دارد. بند 62 استاندارد ASHRAE (انجمن مهندسی گرمایش، سرمایش، و تهویه هوای آمریکا یا American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) استفاده از سنسورهای CO2 را برای کنترل میزان تهویه هوا تا جائیکه ضوابط رعایت شوند مجاز میداند. سیستمهای DCV بهترین گزینه برای اماکنی است که بطور متناوب یا بصورت غیر قابل پیش بینی توسط افراد اشغال میشوند نظیر: تالارهای کنفرانس و همایشها، کلاسهای درس، سالنهای سینما، فرودگاهها و ... از دیگر موارد کاربرد این سیستم میتوان به بیمارستانها و حتی کازینوها اشاره کرد که در این دو محیط کنترل حد مجاز CO2 بحرانی تر است (اولی بخاطر شرایط ویژه بیماران و دومی بدلیل تحرک بالاتر و مصرف دخانیات که هر دو باعث افزایش نرخ CO2 میشود).

http://sensors.blogfa.com/8805.aspx

یکی از مشکلات سنسورهای گاز، توان تلف شده در هیتر آن است. در حال حاضر تحقیقات وسیعی در زمینه کاهش این توان چه بصورت ساخت سنسورهای گاز بر روی زیرلایه های پلیمری که در دمای معمولی کار میکنند و چه بصورت تغییر در ساختمان هیتر بوسیله کوچک کردن ابعاد آن بکمک تکنولوژی هایی نظیر MEMS و ... در حال انجام است.

طرح کلی ساختار سنسورهای گاز بر اساس MEMS در شکل زیر ارائه شده است:





شکل یک: ساختار سنسور گاز بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم و MEMS

در این ساختار، ابتدا حفره ای در یک ویفر Si ایجاد و سپس غشای داخلی حفره توسط لایه نازکی ازSiO2/Si3N4 (اکسید سیلیکون/ نیترات سیلیکون) با تکنیک Sputtering پوشانده می شود. دلیل بکارگیری SiO2 این است که این ترکیب اکسید سیلیکون علاوه بر داشتن ضریب عایقی دی الکتریک 3.9 و ولتاژ شکست در حدود 107 ولت بر سانتیمتر، وقتی روی سیلیکون پوشانده شود، تا دمای ذوب سیلیکون، فوق العاده از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. همچنین Si3N4 علاوه بر واسطه داشتن ضریب عایقی 7.5 و ولتاژ شکست بیش از 100 ولت بر سانتیمتر ، سدی بسیار عالی در مقابل نم و رطوبت است که در نتیجه باعث کاهش اثر رطوبت بر ویفر سیلیکونی میشود. اما باید این نکته مهم را در نظر داشت که تماس مستقیم نیترات سیلیکون با ویفر سیلیکونی باعث ایجاد کشش و استرس سطحی در Si می شود، لذا ابتدا لایه SiO2 روی سیلیکون کشیده میشود تا از اثر استرس ناشی ازSi3N4 جلوگیری شود.

اکنون هیتر بصورت فیلم نازکی از جنس پلاتین با تکنیک رسوب گذاری – یا هر روش دیگر Thin Filmیی نظیر Evaporation و ... – روی ویفر سیلیکونی ایجاد میگردد و سپس روی این هیتر توسط ماده ی عایقی نظیر SiO2 پوشانده میشود. بعد از آن نوبت الکترودهای پلاتینی، نقره ای، یا طلایی است که دقیقاً بر روی هیتر رسوب داده میشوند. در مرحله بعدی لایه حساس به گاز – یکی از اکسیدهای قلع، تنگستن، روی و ... – که در اینجا از SnO2 استفاده شده است، روی الکترودها رسوب داده میشود.

پس از رسوب دادن لایه حساس به گاز، لایه ی عایق نازکی از جنس SiO2 روی آن رسوب داده میشود. هدف از این لایه ی عایق، گذاشتن لایه دیگری بعنوان کاتالیست است که نقش فیلتر گاز را بازی میکند. میتوان با افزودن فلزاتی نظیر پلاتین، طلا، پالادیوم، و یا نقره به SnO2 ، سنسور را به گاز هدف مورد نظر بخوبی حساس کرد. در اینصورت به لایه عایق و سپس کاتالیست دیگر نیازی نخواهد بود.

پس از رسوب دادن لایه عایق بر روی لایه نازک SnO2 ، اکنون میتوان ترکیب کاتالیست مورد نظر (در اینجا پالادیوم/اکسید آلومینیوم) را با تکنیک فیلم ضخیم روی آن چاپ کرد. شکل زیر تصویر گرفته شده توسط SEM از لایه های متفاوت این ساختار را نشان میدهد:







شکل دو : تصویر SEM گرفته شده از لایه های سنسور

سنسور گاز ساخته شده با این تکنیک در دمای کاری 450 درجه سانتیگراد دارای تلف توانی کمتری از 35 میلی وات خواهد بود. این سنسور توسط شرکت Fuji Electric Advanced Technology توسعه داده شده و بر روی وسایل اندازه گیر و آنالیزورهای گاز ساخت آن شرکت بکار گیری شده است. بخشی از اطلاعات فوق از مقاله چاپ شده توسط این شرکت در ژورنال Elsevier ، مجله سنسور و اکچویتر B، شماره 109 صفحات 185 تا 189 (سال 2005) ارائه شده است.

http://sensors.blogfa.com/8804.aspx

حساسیت متقابل یا Cross Sensitivity اصطلاحی است که در سنسورهای گاز مورد استفاده قرار میگیرد و عبارتست از نمایاندن اثر یک گاز وقتی که ما نمی خواهیم آن گاز آشکار شود. حساسیت متقابل باعث انحراف از نتایج سنسور و گمراه ساختن کاربر میشود، چرا که سنسور پاسخی را نشان میدهد که مربوط به اثر گازی که در پی آن بوده ایم نیست. مثلاً سنسور گاز CO ممکن است بطرز قابل ملاحظه ای به هیدروژن، اتیلن، و ایزوبوتیلن واکنش نشان دهد. در نتیجه در حضور این گازها، سنسور به ما میگوید که گاز CO در محیط وجود دارد در حالیکه اینطور نیست. برای جلوگیری از Cross Sensitivity بهترین گزینه استفاده از فیلتر است (ترکیباتی مانند ذغال چوب). در بعضی موارد با تغییراتی در سیستم پردازش اطلاعات سنسور میتوان تنها اطلاعات صحیح را بدست آورد.

اضافه کردن لایه ای بر روی لایه حساس به گاز – لایه اکتیو – بکمک فیلترهایی نظیر Nb2O5 – پنتاکسید نئوبیوم – میتواند باعث حذف اثر حساسیت متقابل شود. این فیلتر در سنسورهای گروه هیدروکربن و الکل بسیار خوب جواب داده است. در اینصورت ترکیب گازهای موجود در محیط قبل از رسیدن به لایه اکتیو باید از فیلتر گذر کنند و فیلتر نیز با توجه به نوع آن تنها به گازهایی مشخص اجازه عبور خواهد داد.

استفاده از فیلترهای پلاتینی و پالادیومی نیز انتخاب دیگری برای شناسایی ترکیبات هیدروکربنی است. البته باید در نظر داشت که بدلیل خواص رسانایی، این فلزات را بروی لایه عایقی معمولاً از جنس اکسید آلومینیوم – Al2O3 – رسوب می دهند. اکسید مس – CuO – نیز انتخاب دیگری برای کمتر کردن حساسیت سنسور CO به اتانول است. برای اینکار میتوان ابتدا روی لایه اکتیو را با Al2O3 پوشاند (مثلاً با Sputtering) و سپس CuO را روی این لایه Sputter کرد.

ترکیب هموژن پلاتین که از چسب پلاتین (چسبی که من استفاده کرده ام از کمپانی ESL خریداری شده و به نام ESL-5542 شناخته میشود) بسادگی قابل دسترسی است بر روی لایۀ Al2O3 به ترکیبات بنزن حساسیتی متفاوت نسبت به لایه پلاتین جامدی دارد که روی اکسید آلومینیوم Sputter شده است. بعلاوه این استراکچر باعث پایان آمدن دمای واکنش شده و علاوه بر طولانی تر شدن عمر سنسور باعث کاهش تلفات توان در هیتر آن میشود. ترکیب هموژن پلاتین را میتوانید با رقیق کردن چسب آن (85%) توسط ترکیب آلفاتریپینوئل – اتیل سلولز – متانول (بترتیب به میزان 10-5-85 درصد) بسازید و سپس با تکنیک پرینت اسکرین (در ایران بنام چاپ سیلک معروف است) روی لایه آلومینا بنشانید (ضخامت 5 میکرون یا کمتر).


هر گونه نقل قول یا اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز میباشد.

+ نویسنده :سنسور ,Tue 28 Apr 2009 , 9:40 PM | توصیه شما
اساس کار سنسورهای فشار (قسمت اوّل) - Pressure Sensors

بنـــــــــام خدا


اساس کار سنسورهای فشار - قسمت اول (فشار استاتیکی)

برای تشریح عملکرد این دسته از سنسورها ابتدا نگاهی به روابط فیزیکی فشار می اندازیم:

فشار استاتیکی یا ایستایی که در آن فشار وارده بر جسم از طرف خود جسم بوده و تغییر نمی کند عبارتست از:

P=F/A (1)

که در آن P فشار در نتیجه نیروی F وارد بر سطح A است. لفظ اندازه گیری فشار عموماً در کنار سیالات خواه مایعات یا گازها بکار میرود. ظرف شکل یک را با مایعی موجود در آن در نظر بگیرید. این ظرف حاوی فشار P در نقطه ای با فاصله h از سطح مایع مطابق با وزن w اعمال شده از طرف مایع در آن سطح است. در این حالت خواهیم داشت:

P=∆F/∆A=h.w (2)



شکل یک: فشار در هر نقطه ای از سطح مایع محدودشده بکمک حاصلضرب وزن مایع در فاصله آن نقطه از سطح مایع بدست میآید.

از طرفی وزن یک سیّال در واحد حجم با کمک رابطه زیر قابل محاسبه است، که در آن V حجم، m جرم، و g شتاب جاذبه است:

w=m.g/V (3)

لازم بذکر است که بکمک همین رابطه میتوان ارتفاع ستون مایع در یک تانک را با اندازه گیری فشار آن سنجید.

از طرفی چگالی یک سیال ρ عبارتست از :

ρ = mV (4)

بنابراین از روی چگالی یک مایع در ارتفاعی مشخص میتوان فشار مایع را پیدا کرد (با فرض شتاب جاذبه معادل 9.8 با دانستن چگالی از رابطه 4، مقدار وزن سیّال در رابطه 3 مشخص میشود. در نتیجه فشار مایه در ارتفاع h بکمک رابطه 2 با توجه به معلوم بودن وزن سیّال قابل محاسبه است).

باید توجه داشت که کلاً فشار ناشی از ارتفاع یک ستون مایع به عملکرد فشار اتمسفر وارد شده بر سطح مایع بستگی دارد. از ترکیب روابط 2 تا 4 خواهیم داشت:

h=P/ρ.g (5)

و یا:

P=h.ρ.g (6)

در نتیجه فشار وارده بر سطح بالایی یک بلوک مکعبی مستطیل با سطح مقطع A شناور در آب که در ارتفاع h از سطح آب قرار دارد و دارای ضخامتی معادل L است، عبارتست از:

PD=h.ρ.g (7)

و فشار وارده بر سطح پایینی همین بلوک عبارتست از:

PU=(h+L).ρ.g (8)

در نتیجه برآیند فشار وارده بر جسم شناور عبارتست از:

PU – PD =L.ρ.g (9)



شکل دو - مکعب شناور در مایع

اکنون نگاهی به اصل ارشمیدس می اندازیم. این اصل میگوید: نیروی وارد بر یک جسم شناور در آب معادل با وزن مایع جابجا شده توسط آن جسم است. در اینجا نیروی وارد بر بلوک عبارتست از: حجم بلوک (V = A.L) ضربدر وزن مایع جابجا شده و یا:

F = A.L.w (10)

که در نتیجه با کمک رابطه 1 خواهیم داشت:

P = L.w (11)

و با در نظر گرفتن رابطه وزن سیال جابجا شده با چگالی و شتاب جاذبه (w = ρ.g)، فشار وارده بر بلوک فرضی در رابطه 9 مطابق بر قانون ارشمیدس اثبات میشود.

در قسمت بعدی به بحث پیرامون اندازه گیری فشار در سیّال جاری (غیر ساکن) خواهیم پرداخت.



برای نوشتن این مطالب از هندبوک جامع سنسورها، انتشارات مک گراو هیل، فصل 6 (سنسورهای فشار ) چاپ 2007 استفاده شده است.

http://sensors.blogfa.com/8802.aspx

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :