دانلود تحقیق سنسور پارک

 سنسور پارک (Reversing)

مطالب ارائه شده در فصل های قبل همه در برگیرنده نقس سنسورها در صنعت و خصوصاً در اتومبیل های امروزی که بسیار حائز اهمیت هستند و سنسورهای ارائه شده در فصول قبل هر کدام با قیمت اتومبیل های روز دنیا از آنجا استفاده می شود .

حتی از سنسورهای شیمیایی در خودروهای نظامی کاربرد وسیعی دارد.

اندازه گیریهای جابه جایی اشیاء در علوم کاربردی از اهمیت اساسی برخوردار است و پایه اندازه گیری سرعت، شتاب ، کشش (با استفاده از عناصر قابل ارتجاع) ، نیر و فشار است.

اندازه گیری جابه جایی در حالت جابه جایی چرخشی نیز مانند جابه جایی انتقالی قابل اندازه گیری است.

قوانینی که مبنای عمل سنسورهای جابه جایی هستند در هر دو مورد جابه جایی خطی و حرکت چرخشی صدق می کنند.

به همین دلیل هر دو نوع اندازه گیری، به موازات هم مورد بررسی قرار می گیرند.

پتانسیومترها

پتانسیومترها عموماً شامل عنصر مقاومتی است که یک اتصال متحرک لغزان در آن تعبیه شده است.

شکل اولیه پتانسیومتر شامل مقاومتی است که از سیم با مقاومت زیاد، مانند نیکروم تشکیل شده و روی پایه مناسبی از جنس عایق پوشیده شده است.

اتصال متحرک عبارت است از بازوی متحرکی که می تواند روی مسیر مقاومتی بلغزد.

بنابراین بین یک انتهای مسیر سیم پیچی شده و اتصال لغزان، مقاومت متغیری بوجود می آید.

حرکت اتصال لغزان می تواند خطی، چرخان و یا ترکیبی از آن دو مثلاً به شکل مارپیچی باشد.

پتانسیومترهای حرکت انتقالی (که اصطلاحاً خطی نیز گفته می شوند) دارای بستر لغزش mm 1000  - 5 هستند.

پتانسیومترهای گرد دارای فاصله انحراف از 10 تا 60 دور می باشند (    20000 <>

خطی بودن پتانسیومتر

اگر مقاومت پتانسیومتر نسبت به جابه جایی اتصال لغزنده آن، خطی باشد (شکل 12 – 1 را ببینید) ، در شرایطی که ولتاژ eex ولتاژ تحریک اعمال شده به پتانسیومتر بوده و

شکل (12-2) پتانسیومتر متصل به امپدانس ورودی Rm

 خروجی پتانسیل مدار باز بوده و جریانی که از آن کشیده نشود ولتاژ خروجی e0 تابعی خطی از جابه جایی xi است.

اما، چون هر مداری که به خروجی پتانسیومتر وصل      می شود عملاً دارای امپدانس ورودی بی نهایت نیست و مقداری جریان از پتانسیومتر می کشد،  لذا با اتصال خروجی پتانسیومتر خطی به هر مداری، تا حدودی مشخصات خطی بودن پتانسیومتر کاهش می یابد.

شکل 12-1پ2 وضعیت فوق را نشان می دهد.

از تحلیل ساده مدار نتیجه می گیریم که :

در شرایط ایده آل برای مدار باز داریم 0 = Rp/Rm  و همانگونه که در شکل (3  12-)

شکل (12-3) اثرات بارگذاری پتانسیومتر

مشاهده می شود رابطه بین e0 و xi یک رابطه اگر Rp=RM باشد، ماکزیمم انحراف از خطی بودن حدود 12% است.

اگر Rm RP=10% باشد، خطا به 1.5% کاهش می یابد.

برای مقادیری از Rp و Rm که Rp/Rm<0.1 محل="" خطای="" بیشینه="" در="" ناحیه="" ای="" است="" که="" xi/xt="0.67" و="" خطای="" ماکزیمم="" تقریباً="" 15rp/rm%="" از="" مقیاس="" کامل="">

برای اینکه خطی بودن پتانسیومتر حفظ شود بایستی امپدانس Rm مداری که به پتانسیومتر وصل می شود در مقایسه با امپدانس Rp پتانسیومتر که تا حد ممکن بایستی کوچک انتخاب شود، به مقدار کافی بزرگ باشد، متأسفانه ضرورت فوق با حساسیت زیاد پتانسیومتر در تناقض است.

چون خروجی e0 مستقیماً متناسب با ولتاژ تحریک eex است، ابتدا به نظر می رسد که با اضافه کردن eex می توان هر خروجی مورد نظر را به دست آورد.

اما پتانسیومترها دارای میزان توان مشخصی هستند که با توانایی اتلاف حرارتی آنها تعیین می شود.

اگر اتلاف حرارتی در محدوده H وات باشد، ماکزیمم ولتاژ تحریک مجاز عبارت است از :

بنابراین، مقادیر کم Rp مقادیر کوچک eex را به دست می دهد و نتیجتاً حساسیت کاهش می یابد.

برای انتخاب Rp بایستی مصالحه ای بین بارگذاری و حساسیت انجام می گیرد چون هرچه بارگذاری بیشتر شود حساسیت کاهش می یابد و بالعکس.

برای انتخاب Rp بایستی مصالحه ای بین بارگذاری و حساسیت انجام می گیرد چون هرچه بارگذاری بیشتر شود حساسیت کاهش می یابد و بالعکس.

ریزولوشن پتانسیومتر ریزولوشن پتاسیومتر بستگی به شکل و نوع عنصر مقاومتی آن دارد.

در یک پتانسیومتر سیم پیچی شده (اصطلاحاً پتانسیومتر سیمی یا Wirewound ) .

همانگونه که د شکل (4 - 12) مشاهده می شود، هم زمان با حرکت برشی لغزنده پتانسیومتر از یک دور سیم مقاومت به دور سیم بعدی، مقاومت نیز به طور پله ای افزایش می یابد.

بنابراین در پتانسیومترهای ردیفی ماکزیمم ریزولوشن قابل دسترسی حدود است.

پتانسیومترهایی که از جنس لایه کربنی، کرمت (Cermet) (مخلوط سرامیک و مواد فلزی) و یا پلاستیک هادی (مخلوطی از رزین پلاستیک و پودر فلزی هادی) ساخته شکل (12-4) دقت ریزبینی پتانسیومتر سیمی بستگی به فاصله بین دو مقطع متوالی سیم دارد.

شده اند نسبت به پتانسیومترهای سیمی دارای ریزولوشن بالاتری هستند ولی مانند آنها سیم پیچهای ضخیم ندارند.

این نوع پتانسیومترها غالباً به عنوان پتانسیومترهای با ریزولوشن بی نهایت توصیف می شوند، چون عنصر مقاومتی دارای سطح صافی است که لغزنده روی آن به طور پیوسته و بدون قطع شدن جابه جا می شود، عملاً نمی توان ریزولوشن پتانسیومترهای فوق را اندازه گیری و مقدار دهی کرد چون انحراف e0 نسبت به خط مستقیم ایده آل دارای مقدارهایی تصادفی است (برخلاف استپهای خروجی قابل تکرار در مورد پتانسیومترهای سیمی).

کمیتی را که معمولاً برای مشخص کردن میزان همواز بودن خروجی ذکر می شود نسبت دامنه ماکزیمم تغییرات اتفاقفی به eex با 0.1% نسبت به مقدار نمونه است.

مسئله دیگر در مورد پتانسیومترهای غیرسیمی آن است که این نوع پتانسیومترها نمی توانند جریانهای عبوری زیاد را تحمل کنند.

این امر باعث کاهش حساسیت می شود.

راه حل مناسب، استفاده از پتانسیومترهایی است که به پتانسیومترهای هیبرید موسومند، که در این پتانسیومترها یک لایه از پلاستیک هادی روی سیم پیچ در راستای محور ریخته شده است.

این پتانسیومترها مزیتهای هر دو نوع پتانسیومتر را در خود دارند اما قیمت آنها بالاتر است.

مسائل نویز الکتریکی در پتانسیومترها عامل اصلی نویز در پتانسیومترها نوسانات ولتاژ به خاطر لرزش لغزنده پتانسیومتر، کثیف شدن اتصال لغزنده به پتانسیومتر و فرسوده شدن اتصال لغزنده و یا پتانسیومتر است.

عبارت نویز غالباً در مورد اثرات ریزولوشن به کار می رود.

نباید فراموش شود که در کاربردهای دینامیکی هر پتانسیومتری به دلیل اینرسی و اصطکاک قسمتهای متحرکش دارای اثرات بارگذاری مکانیکی معینی است.

این امر روی مشخصه حرکت پتانسیومتر تأثیر می گذارد.

در پتانسیومتر سیمی ممکن است اتصال لغزنده در سرعتهای معینی وقتی از روی حلقه سیمهای پتانسیومتر می گذرد، دارای پرشهای و قطع و وصلهای تصادفی باشد و باعث قطع و وصل متناوب مدار پتانسیومتر شود.

این پدیده مخصوصاً در مواردی که سرعت لغزنده و فاصله بین مراکز دو مقطع متوالی سیمها به گونه ای باشد که نیروی تحریکی برابر و یا نزدیک به فرکانس پایه لرزش بازوی فلزی به پتانسیومتر اعمال شود مشکل ایجاد می کند.

یکی از راه حلهای این مشکل که روش مناسبی نیز هست، استفاده از کنتاکت پتانسیومتر دو قسمتی و یا بیشتر است که هر قسمت دارای فرکانس تشدید مخصوص به خود باشد.

بنابراین، اگر قسمتی از کنتاکت در فرکانس تشدید قرار گیرد، کنتاکت دیگر ساکن بوده و باعث اتصال خوب و مناسب خواهد شد.

ترانسدیوسرهای جابه جایی القایی ترانسدیوسرهای القایی جابه جایی مشکل کنتاکت لغزنده پتانسیومتر را ندارند، چون اصلاً دارای کنتاکت لغزنده نیستنئ.

ریزولوشن قابل دستیابی توسط یک ترانسفورمر دیفرانسیلی با کیفیت خوب برابر با ریزولوشن پتانسیومتر است.

اما در بسیاری از کاربردهای سنسورهای القایی دارای ضعف مخصوص به خود هستند و آن اینکه این وسایل فقط توسط ولتاژ AC فعال می شوند و نمی توان آنها را توسط منابع تغذیه DC بدون تجهیزات اضافی به کار انداخت.

ترانسدیوسرهای رلوکتانس متغیر برای روشن شدن این مطالب که ترانسدیوسرهای جابه جایی القایی چگونه کار می کنند بایستی مفهوم مدار مغناطیسی روشن شود.

در یک مدار الکتریکی نیروی الکتروموتوری یا ولتاژ V باعث جاری شدن جریان I از طریق مقاومت R می شود.

طبق قانون اهم ولتاژ چریان طبق رابطه زیر به هم مربوطند : V=IR (12-4) در یک مدار مغناطیسی همانگونه که در شکل (5 - 12) نشان داده شده است، جریان I از یک سیم پیچ با n دور که روی یک هسته از جنس فرومغناطیس پیچیده شده عبور می کند.

به وسیله شبیه سازی می توان سیم پیچ را به عنوان نیروی محرکه مغناطیسی فرض کرد (mmf) که عامل جاری شدن فلوی در مدار مغناطیسی می شود.

شکل (12-5) سنسور رلوکتانس متغیر معادله مربوطه به شکل زیر است : (12-5) = رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی ) فلوی جریان مغناطیسی = نیروی محرکه مغناطیسی رلوکتانس است که باعث می شود که مقاومت عبور جریان الکتریکی را در مدار محدود می کند، رلوکتانس نیز فلوی مغناطیسی را در مدار مغناطیسی محدود کند.

در مثالی که در شکل (12-5 ) آمده است مقدار mmf برابر است با n i، بنابراین در این شرایط ، فلوی مدار مغناطیسی که توسط یک دور سیم پیچ جاری می شود از معادله زیر به دست می آید: (12-6) (برحسب وبر) شار مغناطیسی کل N که توسط n دور سیم پیچ در مدا مغناطیسی جاری می شود برابر است با : (12-7) خودالقایی L عبارت است از فلو یا شار کل مغناطیسی بازای واحد جریان [1]، بنابراین: ) 12-8) توسط معادله (12-8) با دانستن رلوکتانس مدار مغناطیسی می توانیم اندوکتانس عنصر حسگر یا سنسور را به دست آوریم.

رلوکتانس مدار مغناطیسی توسط رابطه زیر به دست می آید: (12-9) که در این رابطه طول مسیر شار جریان ، ضریب نفوذ پذیری نسبی ماده مدار مغناطیسی، 0 ضریب نفوذپذیری در خلاء (410-7H/m=) سطح مقطع مسیر عبور شار جریان است.

b(12-5) دارای آرایشی شبیه به (12-5)a است، با این تفاوت که هسته مغناطیسی توسط یک شکاف هوایی با عرض متغیر به دو قسمت تقسیم شده است.

رلوکتانس کل مدار در b(12-5) حاصل جمع رلوکتانسهای دو قسمت هسته مغناطیسی و رلوکتانس شکاف هواست.

ضریب نفوذپذیری نسبی هوا (air) مقداری نزدیک به واحد است، در حالی که ضریب نفوذ پذیری مربوط به هسته مغناطیسی نسبت به air هزاران بار بزرگ تر است.

بنابراین، وجود شکاف هوا باعث افزایش قابل توجهی در رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی) مدار شده و این به نوبه خود باعث کاهش فلو (شار جریان مغناطیسی) و کاهش اندوکتانس می شود .

در ساخت سنسور جابه جایی القایی از همین اثر استفاده می شود، چون تغییرات حتی کوچک د عرض شکاف هوایی باعث تغییرات قابل اندازه گیری در اندوکتانس مدار می شود.

در مهندسی، سنسورهای رلوکتانس متغیر غالباً جهت اندازه گیری سرعت چرخشی به کار می رود بدین صورت که سنسور مغناطیسی (12-10) در مجاورت دندانه های چرخ دندانه دار قرار می گیرد.

حرکت دندانه های چرخ دوار که از جنس ماده فرو مغناطیسی است باعث تغییرات مشخص در تزویج بین سیم پیچها می شود.

بعد از یک سری عملیات تقویت و فرآوری سیگنال مناسب ، سیگنال خروجی با فرکانس که به طور خطی با سرعت چرخشی متناسب است به دست می آید.

شکل (12-10) سنسور سرعت چرخشی به روش رلوکتانس متغیر ترانسفورمورهای تزویج متغیر : LVDT,LDT نوع ساده ای از ترانسدیوسر جابه جایی القایی که به ترانسدیوسر جابه جایی خطی (linear displacement) LDT (Transducer موسوم است تشکیل شده از یک جفت سیم پیچ (یا یک سیم پیچ با سر وسط) که روی یک استوانه تو خالی پیچیده شده است و باعث می شود هسته الکترومغناطیسی همانگونه که در شکل a(12-11) نشان داده شده در طول محور سیم پیچ حرکت کند.

طول هسته و سیم پیچها مساوی است.

(d ) .

با حرکت هسته درون استوانه، اندوکتانسها دو سیم پیچ تغییر می کند.

مطابق شکل b (12-11) سیم پیچهای با اندوکتانس L1 و L2 در حالت نرمال، با یک جفت مقاومت متعادل کننده R تشکیل یک مدار پل می دهند و خروجی پل تعادل توسط یک تقویت کننده، تا حدودی تقویت می شود.

اگر زمانی که هسته فریت دقیقاً در وسط استوانه قرار گرفته و اندوکتانسهای هر دو سیم پیچ L بوده و طول هسته فریت و طول سیم پیچها d فرض شود، آنگاه جابه جایی هسته به اندازه d باعث تغییرات اندوکتانس مخالف L می شود.

بنابراین در حالت ایده آل (d/2) / d = L/L است و خروجی پل تعادل مربوط به آن دارای مقدار L / L ) (2 / eex) خواهد بود.

مشکل استفاده از روش فوق این است که خروجی فقط در ناحیه محدودی از استوانه که هسته فریت به وسط استوانه نزدیک است خطی است.

وسیله دیگری که اساس کار آن مانند روش فوق بوده و دارای جواب مناسب تری است به ترانسفورمور دیفرانسیلی (تفاضلی) خطی متغیر و یا Lineart variable Diffevential ) LVDT (Transformer موسوم است.

LVDT ترانسفورماتوری با یک سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه است که همانند شکل (12-12) روی یک استوانه به صورت سر و ته پیچیده شده اند.

یک هسته الکترومغناطیسی (که غالباً از جنس میله فریتی است) داخل استوانه لوله مانند حرکت می کند و مقدار تزویج بین اولیه و ثانویه ها را تغییر می دهد.

همانگونه که در شکل (12-12) مشاهده می شود این نوع ترانسدیوسر به هر دو صورت حرکت در امتداد مستقیم و هم حرکت دورانی قابل تهیه است.

برای سیم پیچ وسطی (اولیه) از ولتاژ ورودی تحریک AC استفده می شود، این ولتاژ AC باعث القای ولتاژ در سرهای سیم پیچهای (ثانویه) خروجی می شود.

شکل (12-11 ) استفاده از ترانسفورمر تفاضلی خطی به عنوان سنسور جابه جایی شکل (12-12 ) ترانسفورماتور تفاضلی خطی متغیر هنگامی که هسته فریت نسبت به فاصله دو سیم ثانویه به صورت متقارن قرار می گیرد ولتاژهای القایی در سیم پیچهای ثانویه دارای اندازه های مساوی هستند.

اگر فرض کنیم ولتاژ تحریک به صورت (2ST) Sin eex=Vs در نظر گرفته شود، آنگاه ولتاژ خروجی e0 برابر با تفاضل ولتاژهای القا شده V1-V2 توسط دو سیم پیچ ثانویه است.

چون سیم پیچهای ثانویه سه صورت سری و در جهت مخالف هم همانند شکل (12-12 ) پیچیده شده اند ولتاژ خروجی عبارت است از : e0=V1-V2=Voutsin(2st+) ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی یا همان LVDT معمولاً توسط ولتاژ سینوسی با دامنه تا حدود 24v و فرکانس بین 50hz تا 25khz کار می کند.

اگر سیم پیچهای ثانویه به صورت سری و در جهت مخالف هم پیچیده شده باشند نقطه نول (خنثی) را می توان با تنظیم هسته فریت در وسط لوله استوانه به دست آورد که در این نقطه e0=0 است.

اندک تغییر مکان هسته فریت از نقطه نول باعث افزایش تزویج (اندوکتانس متقابل) بین سیم پیچ اولیه و یکی از ثانویه ها می شود، ضمن اینکه تزویج بین اولیه و ثانویه بعدی کاهش می یابد.

همانگونه که در شکل (12-13) مشاهده می شود، در فاصله قابل توجهی از جابه جایی هستی فریت در اطراف نقطه نول، دامنه e0 نسبت به تغییر مکان هسته، به صورت خطی تغییر می کند.

زمانی که هسته از نقطه مرکزی (نول) نیز فراتر رود، ولتاژ خروجی e0 نیز تغییر فازی به اندازه 180 خواهد داشت.

ترانسفورمر LVDT معمولاً در موقع فرآوری و بهینه سازی سیگنال جهت تبدیل سیگنال خروی به شکل DC مورد استفاده قرار می گیرد.

تبدیل فوق به گونه ای است که نواحی A و B در شکل (12-13) از هم متمایز می شوند، یعنی اگر چه دامنه های دو نقطه مساوی هستند ولی اختلاف فاز بین آنها 180 است.

یک دمدولاتور حساس به فاز برای تشخیص و آشکارسازی این اختلاف فاز استفاده می شود و در موقعی که تغییر مکان در ناحیه A انجام می شود خروجی منفی داشته و زمانی که هسته فریت در ناحیه B جابه جا می شود دارای خروجی مثبت خواهد بود.

غالباً مدارات مربوط به فرآوری سیگنالهای فوق داخل محفظه LVDT قرار دارند و رفتار ترانسفورمر وارد جعبه ترانسفور می شود و سیگنال مکان DC از دستگاه خارج می شود.

در موقع عبور از نقاط انتهایی، رفتارهای غیر خطی مشاهده می شود که در شکل (12-13) با نقاط D و E نشان داده شده اند.

گرایش غیرخطی برای ترانسفورمر نوعاً %1 است.

تراتسفورمرهای LVDT موجود از فاصله های 0.25mm تا 500mm را می پوشانند.

فاصله فرکانسی مناسب برای ترانسفورمر محدود است و اینرسی قسمتهای متحرک ترانسفورمر عامل محدود کننده است.

در بسیاری از موارد، قیمت LVDT استفاده از آن را غیرممکن می سازد.

اما، LVDT ها در کارهای آزمایشگاهی و ساخت نمونه های اولیه تحقیقاتی مکرراً مورد استفاده قرار می گیرد.

ترانسدیوسرهای تغییر مکان جریان ادی ترانسدیوسر جریان ادی از یک سنسور رلوکتانس متغیر تشکیل شده است.

اما تفاوت عمده ای وجود دارد : سنسور رلوکتانس متغیر تنها ماده فرومغناطیس را تشخیص می دهد در صورتی که جسمی که توسط حسگر جریان ادی تشخیص داده می شود کافیست دارای خاصیت هدایت الکتریکی باشد.

بنابراین، پرابهای جریان ادی نسبت به سنسورهای رلوکتانس متغیر دارای موارد کاربری بیشتری هستند.

یک پراب جریان ادی از یک جفت سیم پیچ تشکیل شده که ، تحت تأثیر مجاورت با هادی الکتریکی (هدف) است قرار می گیرد و سیم پیچ تعادل دوم که باعث کامل شدن پل تعادل و جبران سازی حرارتی می شود.

پل تعادل توسط یک سیگنال AC فرکانس بالا (معمولاً 1MHz ) تحریک می شود و خطوط شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ فعال از سطح هدف که هادی الکتریسیته است می گذرد.

جریانهای ادی عمدتاً در سطح هادی ایجاد می شوند و هرچه از آن دور می شود مقدار آن کاهش می یابد.

این جریان در فاصله کوتاهی از زیر سطح، بسیار کوچک و قابل صرف نظر کردن است.

به محض این که هدف نسبت به پرآب حرکت کند، جریان ادی تغییر می کند، که امپدانس سیم پیچ فعال را تغییر می دهد.

در نتیجه تعادل پل به هم می خورد و مقدار این عدم تعادل متناسب با فاصله بین سیم پیچ فعال و شیء هدف است.

این سیگنال عدم تعادل فیلتر شده و سپس یکسو می شود و ولتاژ سیگنال DC را تهیه می کند.

سیگنال فوق ذاتاً غیر خطی است و برای کاهش این ضعف، غالباً مدارات خطی کننده به کار گرفته می شوند.

پرابهای جریان ادی تجاری با قابلیتهایی از 0.25mm , 30mm ریزولوشن ماکزیمم 10-4mm وجود دارند.

فاصله اندازه گیری پیشنهاد شده برای پراب در فاصله پاسنگی جبران ساز (standoff) که معمولاً در حدود 25% فاصله اندازه گیری است شروع می شود.

بنابراین یک پراب با رنج 1mm دارای فاصله استاتیک هدف / پراب بین 0.5-1.5mm است.

اجسام هدف توسط پرابهای جریان ادی تغذیه نمی شوند، چون معمولاً یک قطعه ماشین موجود مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر قسمتی از لایه هادی به سطح ، ثابت شده باشد حرکت یک هدف غیر هادی را می توان تشخیص داد.

بدین منظور بایستی از نوار فویل آلومینیمی پشت چسب دار استفاده کرد.

هدفهای سطح بایستی دارای همان قطر پراب و حتی بزرگتر باشند.

اهداف انحنادار (مانند محورهای گرد) اگر چنانچه قطر محور از پنج برابر قطر ترانسدیوسر فزونی گیرد، رفتاری مانند سطوح مسطح خواهند داشت.

سیستمهای چهار پراب مخصوص برای اندازه گیری حرکت دورانی سیستمهای چرخان قابل تهیه است.

ترانسدیوسرهای تغییر مکان خازنی ظرفیت خازنی وقتی به وجود می آید که دو جسم هادی الکتریکی توسط یک عایق دی الکتریک از هم جدا شده باشند .

وقتی ولتاژ V به دو سر خازن اعمال شود، مقدار بارهای الکتریکی مساوی و مخالف هم Q روی دو قسمت خازن قرار می گیرد.

نسبت بار ذخیره شده در خازن به ولتاژ دو سر آن معرف ظرفیت خازن است : (12-14 ) اگر خازن شامل دو صفحه هادی موازی به مساحت A بوده که به فاصله d از هم قرار دارند، آنگاه ظرفیت C خازن عبارت است از : (12-15 ) (برحسب فاراد(F) در این رابطه 0 ضریب گذردهی در خلا است و مقدار آن10-12F/m 8.85 و r ضریب گذردهی نسبی ماده دی الکتریکی است که صفحات هادی را از هم جدا می کند.

در هوای خشک=1 r فرض می شود.

بنابراین مقدار ظرفیت خازن تابعی از مشخصات هندسی (d,A) و جنس ماده دی الکتریک r است.

همانگونه که از معادله (12-15) برمی آید هر تغییر در مقادیر A ، d و یا r باعث تغییر در ظرفیت خازن می شود.

با استفاده از این واقعیت می توان سنسورهای جابه جایی خازنی را طراحی کرد.

انواع مختلفی از چنین سنسورهایی در شکل (12-16) آمده است.

سنسورهای جابه جایی در مواردی که اندازه گیری تغییر مکانهای مانند فشار و مکان و شتاب مورد نظر است کاربرد دارد.

اگر چه همانگونه که بعداً شرح داده خواهد شد – در عمل غالباً استفاده از تنها دو صفحه مناسب نیست چون خروجی غیر خطی دارد – می توان خروجیهای تک خازنی منفرد و یا تفاضلی نیز داشت.

معمولاً در این موارد از آرایش تفاضلی سه صفحه ای استفاده می شود.

شکل 12-16 انواع معمول سنسورهای جابه جایی با حرکت طولی و یا حرکت دایره ای را نشان می دهد.

ظرفیت اسمی این نوع سنسور به طور کلی زیر 1000pf (1nf) است.

به منظور کاهش امپدانسها و همچنین عکس العمل سریع در اندازه گیری، فرکانس سیگنال مورد استفاده در اندازه گیری معمولاً 100kHZ و یا بیشتر انتخاب می شود.

امپدانس ترانسدیوسر در این فرکانس هنوز خیلی زیاد است و بنابراین برای آنکه از انشعاب نامناسب و کاهش حساسیت سنسور جلوگیری شود، مقاومت عایقی نیز بایستی به اندازه کافی زیاد باشد.

از تقویت کننده بار نز تقریباً همیشه استفاده می شود.

ترانسدیوسرهای تغییر مکان خازنی به طور نرمال برای اندازه گیری جابه جایی کمتر از 1mm استفاده می شود.

سنسورهای خازنی در شرایط تغییر رطوبت محیط اندازه گیری غالباً درست جواب نمی دهند.

به همین دلیل است که استفاده از آنها در مهندسی ابزار دقیق به سنسورهای فشار و شتاب و مکان محدود گردیده است که در آنها، المان خازنی در محفظه خلأ و یا فشار گاز خشک، آب بندی شده است.

سنسوری که در آن مساحت صفحه A و یا فاصله ضخامت d بایستی تغییر کند، احتیاج به اتصال بین حرکت جابه جایی مورد مطالعه و قسمت متحرک سنسور دارد (شکل 12-16 را ببینید).

از طرف دیگر ترانسدیوسرهایی که اندازه گیری آنها بر اساس تغییرات ضریب پذیرش نسبی r انجام می گیرد احتیاج به اتصال فیزیکی ندارند و در بعضی شرایط این روش اندازه گیری بر روش قبلی ترجیح داده می شود.

رفتار خطی ترانسدیوسرهای تغییر مکان خازنی در حالت آرایش خازن دو صفحه ای همانگونه که در شکل (12-16)a مشخص است، تغییرات C وقتی d تغییر می کند، به شکل هیپربولیک است و فقط در فاصله کوتاهی می توان آن را خطی در نظر گرفت.

در این حالت، حساسیت C/dمتناسب با 1/d2 می باشد.

اگر سنسور با آرایش تفاضلی سه صفحه ای همانگونه که در شکل b(12-16) آمده است به کار برده شود، خروجی خطی خواهد بود.

با مراجعه به جدول واضح است که صفحات ثابت A ، B و صفحه متحرک m تشکیل یک جفت خازن با ظرفیتهای C1 و C2 را می دهند.

وقتی m درست در نقطه وسط بین ضخامت A و B قرار دارد و فاصله از هریک از صفحات d است داریم C1=C2 .

اگر m به اندازه فاصله x به صفحه A نزدیک شود، ظرفیتها به مقادیر زیر تغییر خواهند کرد: (17 – 12 ) اگر ولتاژ Vex بین A و B اعمال شود، ولتاژ خروجی Vout به صورت معادله زیر خواهد بود : (12-18) بنابراین، آرایش سه صفحه ای خطی است بدینگونه که Vout متناسب با x است و در ضمن حساسیت Vout/x به طور معکوس با فاصله d متناسب است.

سنسورهای حرکت از نوع نوری با استفاده از روش شمارش پالس می توان توسط قطعات نوریف حرکت زاویه ای و حرکت انتقالی (خطی ) را اندازه گیری کرد.

استفاده از ترانسدیوسرهای تغییر مکان نوری به دلایل زیر رو به افزایش است: این سنسورها اساساً دیجیتال هستند، در مقابل تداخل الکتریکی از ایمنی برخوردارند، هیچ نوع اتصال مکانیکی به عنصر حس کننده سنسور لازم نیست و ارزان قیمت هستند، مخصوصاً اگر از قطعات نوری پلاستیکی استفاده شود.

از نقاط ضعف اصلی این سنسورها یکی شکستنی بودن آنها است و دیگر این که اگر اجزاء ورودی نور به آنها کثیف شود کیفیت کار آنها خیلی کاهش می یابد.

به دلایل فوق، کاربرد آنها محدود به مکانهایی است که تا حد ممکن کثیف و غبار آلود نباشند و حرارت آن محیط از حدود مجاز تجاوز نکنند.

ترانسدیوسرهای تغییر مکان اولتراسوند اولتراسوند به امواج صوتی گفته می شود که فرکانس مربوط به آنها بیشتر از حدی است که توسط گوش انسان قابل آشکار شدن و شنیدن باشد.

پایین ترین مقدار فرکانس این امواج صوتی حدود 18KHZ می باشد.

امواج اولتراسوند از همان اصول اساسی حرکت موج به عنوان امواج اکوستیک فرکانس پایین تبعیت می کنند.

این امواج از ویژگیهای ذکر شده در ذیل برخوردارند : موج با فرکانس بالاتر دارای طول موج کوتاه تر است.

این بدان معناست که تفرق بآسانی اتفاق نمی افتد.

اگر بخواهیم شعاع مستقیم و در یک جهت ثابت و متمرکز از موج تشکیل دهیم با موج اولتراسوند راحت تر به نتیجه می رسیم تا صوت معمولی.

امواج اولتراسوند براحتی از دیوارهای فلزی یک ساختمان عبور می کند.

این بدان معناست که در کاربردهای نظیر اندازه گیری سطح سوخت مایع در یک تانک سیستم اندازه گیری را می توان در خارج از تانک نیز نصب کرد.

از اولتراسوند سالها به عنوان فاصله یاب و یا اندازه گیری مسافت استفاده شده است.

مثالهایی از این نوع که خواننده با آنها آشناست عبارتند از سونار دریایی، تجهیزات تصویربرداری پزشکی اولتراسوند (سونوگرافی و ...) و سیستمهای عیب یابی برای بررسی استحکام سازه سیمانی و فولادها و سنسورهای پارک اتومبیل در همه موارد بالا پالسهای کوتاه اولتراسوند از منبع منتشر می شوند و توسط زمان سنجی پالس بازگشت، فاصله شیء مورد مطالعه اندازه گیری می شود.

امکان استفاده از پالس بازگشت اولتراسوند برای آشکارسازی مانع جلو مسیر، نخستین بار توسط F.Richardson پس از فاجعه تایتانیک در سال 1912 پیشنهاد شد.

ایده فوق در طول جنگ اول جهانی با هدف آشکارسازی زیردریاییهای دشمن به طور جدی پیگیری شد و اولین سیستم عملی از این نوع توسط P.Langevin راه اندازی شد.

شکل (12-19) نمایی از ترانسدیوسر مافوق صوت کوارتز که توسط لانجوین طراحی شده را نشان می دهد که از آن هم به عنوان فرستنده و هم به عنوان گیرنده استفاده می شد.

یک شعاع موج مافوق صوت به طور عمودی به سمت قطعه مورد نظر یا انتشار می یابد و از قطعه مورد نظر و هر شبی ای که در مسیر شعاع فوق قرار گرفته باشد منعکس می شود.

طرح لانجوین اساس همه سیستمهای سونار مدرن را تشکیل می دهد که هم در این موارد نظامی و هم در موارد غیرنظامی مانند کشتیرانی و مطالعات دریایی مورد استفاده قرار می گیرد.

سونار (SONAR : Sound Navigation and Eanging) اولین زمینه کاربرد امواج اولتراسوند است و توسعه آن باعث پیشرفت کار رادار طی مدت 30 سال شد.

توسعه رادر باعث پیشرفتهای زیادی در الکترونیک شد که خیلی از این پیشرفتها به نوبه خود در سیستمهای اولتراسوند به کار گرفته شد.

یکی از مهم ترین این پیشرفتها، امکان استفاده از آرایه فازی برای کنترل جهت شعاع اولتراسوند می باشد.

رادار را نمی توان در زیر آب استفاده کرد زیرا (به دلیل اینکه آب دریا هادی است) امواج الکترومغناطیسی سریعاً تضعیف می شوند .

اما تضعیف امواج تراکم در آب، خیلی کم است و سونارهای زیردریایی می توانند تا حدود فواصل چندین کیلومتر را براحتی کار کنند.

تضعیف امواج اولتراسوند در هوا خیلی بیشتر از آب است، اما سیستمهای فاصله یاب اولتراسونیک عملی می توانند به گونه رضایت بخشی با فاصله دهها متر در هوا و زمین کار کنند.

تضعیف دامنه امواج اولتراسوند در هوا در فرکانسهای بالاتر بیشتر است، بنابراین در کاربردهای تجهیزات هوایی و زمینی از مرتبه چند ده کیلو هرتز مورد استفاده بهتری دارد.

مثلاً برای تهیه فوکوس اتوماتیک در بعضی از دوربینهای اولتراسوند تجهیزات هوایی استفاده می شود و برای این نوع کاربرد تن بارست (tone burst) خودرو جهت کنترل اقتباسی سیستم تعلیق، برای نمایش دادن پروفایل جاده برای خودرو در جلو چرخها، مجدداً برای کنترل تعلیق اقتباسی و برای اخطار تصادفات و سیستمهای بازدارنده (که غالباً کمکهای پارکینگ و reversing نام دارد) استفاده می شود.

بعضی از انواع هواپیماها دارای سیستم التراسونیک جهت تعیین میزان سطح سوخت موجود در هواپیما است.

توسط روش فوق می توان علیرغم تلاطم مقدار سوخت موجود را اندازه گیری کرد.

سیستمهای خبره ای طراحی شده اند که اندازه گیریها مختلف را از چند ترانسدیوسر متفاوت دریافت کرده و مقداری از اندازه گیری را در خروجی ارائه می دهند که مستقل از حرکت و تلاطم سوخت مایع درون تانک است.

(Sloshing) سنسورهای پراب هال سرعت چرخش و سیستم های بازدارنده (کمکهای پارکینگ) پیکاپ هال که برای سنجش سرعت چرخش و ...

به کار می رود از یک آهن ربای دائمی که به جسم متحرک متصل شده تشکیل شده است.

اغلب اوقات هدف فلزی (مانند دندانه های چرخدنده) برای آشکار سازی استفاده می شود که مجاورت آن با سنور باعث می شود رلوکتانس مدار داخلی مغناطیسی که پراب هال تشخیص می دهد تغییر یابد.

این نوع سیستم مکرراً در سنجش سرعت چرخ برای ترمز ضد قفل (ABS) و سیستمهای کنترل کشش مورد استفاده قرار گرفته است.

آرایش نمونه این سیستم در شکل (12-20) نشان داده شده است.

سیستمهای اندازه گیری تغییر مکان اثر هال ترانسدیوسرهای اثر هال دارای خروجی خطی و تکرار پذیر (غیر هیسترزیس) متناسب با شدت میدان مغناطیسی است.

اگر یک آهن ربای دائمی به شکل مناسبی نصب شود، ولتاژ خروجی پراب هال به طور معکوس متناسب با فاصله از آهن ربای دائمی است.

خاصیت اثر هال برای سنسورهای جابه جایی بدون اتصال فیزیکی مورد استفاده قرار می گیرد که خیلی هم دقیق است ( به طور متوسط 1% ) .

یک آهن ربای دائم همانگونه که در شکل (12-21) نشان داده شده است به جسم متحرک متصل می شود و پراب هال ثابت است.

با استفاده از این روش، اندازه گیری بین 0-20mm را می توان انجام داد.

اما باید دقت کرد تا حفاظت پوشش مغناطیسی مناسبی انجام شود به دلیل اینکه اگر سنسور در معرض میدانهای مغناطیسی انتقالی قرار گیرد، خطای زیادی در سیستم اتفاق می افتد.

شاید به این دلیل است که این روش کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.