لوازم جانبی اصلی و اصول کار سنسورهای خطی، وزن‌سنج، LVDT و گشتاور

سنسورها کمیت‌های فیزیکی را به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند. عملکرد قابل اعتماد آن‌ها نه‌تنها به عنصر حسگر بستگی دارد، بلکه به لوازم جانبی کلیدی مانند پوشش‌ها، شرایط‌دهنده‌های سیگنال، اتصال‌دهنده‌ها و تجهیزات نصب نیز وابسته است. در ادامه، پنج نوع سنسور مهم توصیف شده‌اند که شامل اصول کار و لوازم جانبی ضروری هر یک می‌شوند.

1. سنسورهای خطی (پتانسیومتری یا مگنتوستریکتیو)

اصل کار: سنسورهای خطی پتانسیومتری از یک مسیر مقاومتی و یک وایپر استفاده می‌کنند. هنگامی که وایپر به‌صورت خطی جابه‌جا می‌شود، مقاومت به‌طور متناسب تغییر کرده و خروجی تقسیم‌کننده ولتاژ تولید می‌شود. سنسورهای مگنتوستریکتیو حاوی یک راهنمای موج و یک آهنربای دائمی هستند؛ یک پالس الکتریکی پالس کرنش ایجاد می‌کند که از موضع آهنربا بازتاب می‌یابد و تأخیر زمانی نشان‌دهنده جابه‌جایی است.
لوازم جانبی اصلی: پوشش‌های ضدآب (IP67)، انتهای میله‌ای یا یاتاقان‌های کروی برای اتصال مکانیکی، مجموعه‌های کابلی با محافظت الکترومغناطیسی و conditionerهای سیگنال که مقاومت یا تأخیر زمانی را به خروجی‌های ۴–۲۰ میلی‌آمپر یا ۰–۱۰ ولت تبدیل می‌کنند.

۲. سنسورهای وزن‌سنجی ( سلول‌های بار – نوع کرنش‌سنج)

اصل کارکرد: اکثر سلول‌های بارگیری از یک عنصر فنری فلزی (مانند تیر، نوع S یا پانکیک) با چهار گیج کرنش متصل به یک پل ویتستون استفاده می‌کنند. هنگامی که نیرویی اعمال می‌شود، این عنصر تغییر شکل داده و باعث ایجاد کشش در دو گیج (افزایش مقاومت) و فشار در دو گیج دیگر (کاهش مقاومت) می‌شود. خروجی پل، سیگنالی میلی‌ولتی است که به میزان بار اعمال‌شده متناسب است.
لوازم جانبی اصلی: پوشش‌های ساخته‌شده از فولاد ضدزنگ یا فولاد آلیاژی برای محافظت در برابر خوردگی، دکمه‌های اعمال بار و صفحات نصب، جعبه‌های اتصال برای جمع‌بندی سیگنال سلول‌های چندگانه و تقویت‌کننده‌های دقیق (با تنظیم ولتاژ تحریک و جبران دما).

3. LVDT (ترانسفورماتور دیفرانسیلی متغیر خطی)

اصل کارکرد: LVDT از یک سیم‌پیچ اولیه و دو سیم‌پیچ ثانویه تشکیل شده است که روی یک لوله توخالی پیچیده شده‌اند. هسته‌ای فرومغناطیسی به‌صورت خطی درون این لوله حرکت می‌کند. سیم‌پیچ اولیه توسط یک سیگنال جریان متناوب (معمولاً در محدوده ۱ تا ۱۰ کیلوهرتز) تحریک می‌شود. دو سیم‌پیچ ثانویه به‌صورت سری و با جهت‌گیری مخالف به هم متصل شده‌اند؛ بنابراین هنگامی که هسته در مرکز قرار دارد، ولتاژهای القاشده در آنها یکدیگر را خنثی می‌کنند (خروجی صفر). جابجایی هسته باعث نامتوازن شدن این ولتاژها می‌شود و خروجی جریان متناوبی ایجاد می‌کند که دامنه‌اش با جابجایی متناسب است و فاز آن جهت جابجایی را نشان می‌دهد.
لوازم جانبی اصلی: پوشش‌های فولاد ضدزنگ یا اپوکسی برای محیط‌های سخت، میله‌های هسته‌دار با رزوه و پروب‌های فنری، conditionerهای سیگنال که خروجی جریان متناوب را به ولتاژ جریان مستقیم یا جریان ۴–۲۰ میلی‌آمپر تبدیل می‌کنند، و کابل‌های اتصال با ظرفیت خازنی پایین.

4. حسگرهای گشتاور (نوع واکنشی یا چرخشی)

اصل کار: اکثر سنسورهای گشتاور از مقاومت‌های کرنشی (استرین گیج‌ها) که به یک شفت یا فلنج متصل شده‌اند، استفاده می‌کنند. در سنسورهای گشتاور واکنشی، بدنه ثابت نگه داشته می‌شود و مقاومت‌های کرنشی گشتاور پیچشی را اندازه‌گیری می‌کنند. در سنسورهای گشتاور چرخان، یک شفت در حال چرخش با مقاومت‌های کرنشی یا یک عنصر مگنتوالاستیک تجهیز می‌شود؛ سیگنال از طریق حلقه‌های لغزان (اسلیپ رینگ‌ها)، جفت‌شدن القایی یا تله‌متری رادیویی انتقال داده می‌شود. تغییر مقاومت مقاومت‌های کرنشی (پل وتستون) به‌طور مستقیم متناسب با گشتاور است.
لوازم جانبی اصلی: شفت‌های دندانه‌دار یا شیاردار برای انتقال قدرت مثبت، مجموعه‌های حلقه‌های لغزان (برای انواع چرخان)، ماژول‌های تله‌متری بی‌سیم، پوشش‌های محافظ با یاتاقان‌های آب‌بندی‌شده و واحدهای تقویت‌کننده/ conditioning که خروجی‌های ولتاژ یا جریان فیلترشده و کالیبره‌شده ارائه می‌دهند.

لوازم جانبی عمومی در تمام انواع

conditionerهای سیگنال (تقویت‌کننده‌ها، فیلترها، مدارهای خطی‌سازی)، اتصال‌دهنده‌های الکتریکی (M12، DIN)، نگهدارنده‌های نصب و ابزارهای کالیبراسیون در بسیاری از سنسورها مشترک هستند. انتخاب صحیح لوازم جانبی، دقت، طول عمر و سازگاری الکترومغناطیسی را تضمین می‌کند.

درک هم اصل حسگری و هم سخت‌افزار همراه آن برای مهندسان ضروری است تا این سنسورها را به‌طور قابل اعتمادی در خودکارسازی صنعتی، آزمون‌های خودرو، رباتیک و کنترل فرآیند به کار گیرند.