دانلود پایان نامه : بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها

دانلود پایان نامه : بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها

تعداد صفحات: 365

فرمت فایل: word

دسته بندی: - -

قیمت: 8300 تومان

تعداد نمایش: 534 نمایش

ارسال توسط:

تاریخ ارسال: 23 جولای 2016

به روز رسانی در: 23 جولای 2016

خرید این محصول:

پس از پرداخت لینک دانلود برای شما نمایش داده می شود.

8300 تومان – خرید

دانشکده فنی و مهندسی

گروه برق-الکترونیک

پروژه پایان تحصیل کارشناسی ناپیوسته

عنوان:

بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها

فهرستمطالب

عنوان                                                                                 صفحه

فصل 1: کرنش و فشار ———————————————–1

  • کرنش مکانیکی——————————————-2
  • تداخل سنجی———————————————9
  • روشهای فیبر نوری————————————–13
  • گیجهای فشار——————————————–14
  • فشار گازی کم——————————————-21
  • گیجهای یونیزاسیون————————————–23
  • استفاده از ترانسدیوسر———————————–26

فصل 2: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت—————————28

  • موقعیت ————————————————29
  • جهت—————————————————30
  • اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع———————–39
  • فاصله پیموده شده—————————————41
  • سیستمهای شتاب سنج———————————-50
  • دوران————————————————56

فصل 3: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی—————-68

  • گرما و دما——————————————-69
  • نوار بی متال—————————————–70
  • انبساط مایع و گاز ————————————74
  • ترموکوپلها——————————————-76
  • سنسورهای مقاومت فلزی—————————-85
  • ترمیستورها—————————————–92
  • تشخیص انرژی گرمایی تابشی———————–99
  • آشکارسازهای پایروالکتریک————————100
  • ترانسدیوسرهای حرارتی—————————-103
  • ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی—————105

فصل 4: جامدات ، مایعات و گازها——————————108

  • جرم و حجم—————————————-109
  • سنسورهای الکترونیک—————————110
  • آشکارسازهای مجاورتی————————–115
  • سطح مایعات————————————-130
  • سنسورهای جریان مایع—————————133
  • زمان سنجی————————————–137
  • گازها——————————————–141
  • ویسکوزیته (گران روی)————————–145

فصل 5: فرآیندها———————————————174

  • فرآیندهای صنعتی——————————–175
  • بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی———-194
  • روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها———–206

فصل 6: کنترل کننده ها————————————–220

  • کنترل کننده ها———————————–221
  • کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه————-221
  • کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل—————222
  • اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها——-236
  • کنترل کننده های الکتریکی———————237
  • کنترل کننده های بادی————————–242
  • کنترل کننده های هیدرولیکی——————–261
  • انتخاب کنترل کننده ها————————–290
  • تنظیم کنترل کننده ها—————————294
  • جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی——–307

فصل 7: عناصر نهایی و محرک ها————————-319

  • شیرها—————————————–321
  • محرک ها————————————-329
  • تثبیت کننده شیر——————————-343
  • شیرهای مخصوص—————————-348
  • تقویت کننده ها———————————353
  • مراجع 358
  • كرنش مكانيكي

عبارتهاي تنش و كرنش غالباً در موقع استفاده با يكديگر اشتباه مي شوند و بنابراين لازم است در اينجا تعريف روشني از اين در كلمه بيان شود.

كرنش نتيجه تنش است و به صورت تغيير نسبي ابعاد يك شي بيان مي شود، بدين معني كه تغير بعد تقسيم بر بعد اصلي مي شود، به گونه اي كه به عنوان مثال، از نظر طولي كرنش تغييرات طول تقسيم بر طول اصلي است. اين كميتي است كه يك عدد خالص بوده و حاصل تقسيم يك طول بر طول ديگر است و بنابراين ديمانسيون فيزيكي ندارد.

كرنش به روشي مشابه تغيير كميت تقسيم بر كميت اصلي را مي توان براي اندازه گيري هاي سطح و يا حجم تعريف كرد به عنوان مثال، كرنش سطح، عبارتست از تغيير سطح تقسيم بر سطح اصلي و كرنش حجم، تغييرات حجم تقسيم بر حجم اصلي است.

در مقابل، تنش، عبارتست از تقسيم مقدار نيرو بر مقدار سطح. همانگونه كه درمورد يك سيم و يك ميله در تنش كششس و يا فشاي ، بهعنوان مثال، تنش كششي عبارت از نيروي وارده تقسيم بر سطحي كه نيرو به آن وارد مي شود كه آن سطح،سطح  مقطع سيم و يا ميله است. درمورد موادي مانند مايعات و يا گازها، كه مي توانند در تمام جهات به طور يكنواخت فشرده شوند، تنش كلي نيرو بر واحد سطح است كه همان فشار وارده است و كرنش تغيير حجم تقسيم بر حجم اصلي است. عمومي ترين ترانسديوسرهاي كرنش از نوع تنش مكانيكي كششي (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گيري كرنش، اجازه مي دهد كه مقدار تنش با دانستن مدول الاستيك (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعريف هر نوع از ضريب كشساني كرنش/ تنش است (كه داراي واحد تنش است،چون كرنش واحد فيزيكي ندارد) و كاربردي ترين مدول الاستيك ، مدول خطي يانگ ، مدول برشي (پيچش)و مدول بولك (فشار) است.

براي مقادير كوچك كرنش مقدار كرنش متناسب با تنش است و مدول الاستيك كميتي است كه نسبت كرنش/ تنش را در ناحيه الاستيك، بيان مي كند، (قسمتي از نمودار كرنش- تنش كه خطي است) به عنوان مثال مدول يانگ نسبت كرنش كششي/ تنش كششي، به طور نمونه براي هر ماده به شكل سيم اندازه گيري مي شود (شكل 1-1) روش اندازه گيري كلاسيك، هنوز هم در آزمايشگاه مدارس مورد استفاده قرار مي گيرد و درآن از يك زوج سيم بلند استفاده مي شود، كه يكي از آنها به بار وصل شده و به سيم ديگر يك ورنيه مدرج نصب مي شود.

آشكارسازي و تبديل تنش كششي در برگيرنده اندازه گيري تغييرات خصي كوچك طول يك نمونه است. اين به وسيله اثر تغييرات دما، كه ايجاد انبساط و يا انقباض مي‌كند كامل مي شود. براي تغييرات حدود صفر تا 90 درجه سانتيگراد كه دماي محيط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغييراتي كه توسط مقادير زيادي فشار ايجاد مي شود خواهد بود. بنابراين هر سيستمي براي آشكار سازي و اندازه گيري كرنش بايستي به نحوي طراحي شود كه اثرات دما بتواند جبران سازي شود.

قوانيني كه براي آشكار سازي كرنش خطي و يا سطحي استفاده مي شود پيزورزيستيو و پيزو الكتريك ناميده مي شوند.

معمول ترين روش اندازه گيري كرنش با استفاده از استرين گيجهاي مقاومتي محقق مي شود. يكاستريم گيج مقاومتي شامل يك ماده هادي به شكل يك سيم و يا نوار نازك است كه به صورتي محكم به مادهاي كه كرنش     آن بايستي آشكار شود متصل شده است. اين ماده ممكن است ديوار يك ساختمان، تيغه يك توربين، قسمتي از يك پل، هر چيزي باشد كه درآن تنش اضافي بتواند اغتشاش تهديد كننده اي آشكار كند. محكم كردن ماده مقاومتي معمولاً توسط رزينهاي اپوكسي (مانند آرالديت) انجام ميگيرد، چون اين مواد بسيار محكم هستند و عايقهاي الكتريكي نيز به شمار مي روند. سپس نوار استرين گيج به عنوان ييك از بازوهاي مدار پلي مقاومتي به مدار وصل مي شود (شكل 1-2) اين يك مثال در مورد قانون پيزورزيستيو است، چون براي آشكار سازي از تغيير مقاومتي كه به دليل تغيير شكل ساختمان كريستالي ماده حاصل شده است استفاده مي شود.

مي توان با استفاده از يك استرين گيچ در ثل مقاومتي به طوري كه تحت كرنش قرار نگرفته باشد به گونه اي مقايسه اي اثر تغييرات دما را به حداقل رسانيد. اين اقدام نه تنها به خاطر اينكه ابعاد ماده مورد بررسي در نتيجه تغييرات دما تغير خواهد كرد بلكه به اين دليل است كه خود مقاومت عنصر استرين گيچ نيز تغيير خواهد كرد. با استفاده از دو استرين گيچ يكسان، كه يكي از آنها تحت كرنش نباشد، در مدارپل، اين تغييرات در مقابل يكديگر مي توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغييرات مربوط به كرنش آشكار شوند. حساسيت اين نوع سنجه، كه غالباً سنجه پيزورزيستيو ناميده شده، تحت عنوان فاكتور گيج اندازه گيري مي شود. اين مفهوم به عنوان نسبت تغييرات مقاومت به تغييرات كرنش معرفي مي شود و به طور معمول براي سنجه از نوع سيم فلزي در حدود 2 و براي نوع نيمه هادي آن حدود 100 است.

 

شكل 1-2 استفاده از استرين گيج- (a) شكل فيزيكي يك استرين گيج (b) يك مدار پل اندازه گيري براي استفاده استرين گيج. با استفاده از يك سنجه فعال (تحت كرنش) و يك سنجه غير فعال (بدون قرار گرفتن تحت كرنش) در يك بازوي پل، چنانچه هر دو گيج به طور يكسان تحت تاثير دما قرار گيرند، اثرات دما جبران سازي مي شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار مي گيرند اما تنها يك سنجه به طور محكم به سطح تحت كرنش وصل مي شود.

 

همان گونه كه اعداد فاكتور در بالا نشان مي دهند تغيير مقاومت يك گيج كه با استفاده از المنتهاي سيم مرسوم ساخته مي شوند (كه عمدتاً از جنس سين نيكرن نازك هستند) خيلي كوچك است.

به دليل اينكه مقاومت يك سيم متناسب به طول آن است، تغييرات نسبي مقاومت با تغييرات نسبي طول خواهد بود، بهطوري كه تغييرات كمتر از 1/0% قابل آشكارسازي است. چون مقاومت در مقايسه با مقاومت اتصالات در مدار خيلي كوچك باشد و اين امر در موقع اندازه گرفتن مقدار كرنشهاي كوچك، اندازه گيري را غير مطمئن سازد. استفاده از نوار نيمه هادي به جاي سيم فلزي  اندازه گيري را بسيار آسانتر مي كند، چون مقاومت چنين نواري به مقدار قابل توجهي بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن، تغييرات مقاومت نيز به ميزان قابل توجهي مي تواند بزرگتر باشد و باستثناي كاربردهايي كه درآنها دماي المنت بالا است (به عنوان مثال، تيغه هاي توربين گازي)، استرين گيج از  نوع نيمه هادي ترجيح داده مي شود.بستن و ثابت كردن آن همانند نوع فلزي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي سطح محافظت مي شود اين نكته بسيا ربا اهميت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گيج، لايه اكسيد را از بين ببرد. آنگاه قرائتهاي گيج تحت تاثير عوامل شيميايي قرار خواهند گرفت، درست همانگونه كه تحت تاثير كرنش قرار مي گيرند و در نتيجه اندازه گيريها قابل اعتماد نخواهند بود.

استرين گيجهاي پيزوالكتريك در مواردي كه اندازه گيري در مدت زمان كوتاه انجام مي شود و يا اينكه مقادير آنها سريعاً تغيير مي كنند مفيد هستند. يك ماده پيزوالكتريك، ماده اي است كه وقتي كريستال آن تحت كرنش قرار مي گيرد، يونهاي آن به صورت غير متقارن حركت مي كنند، به گونه اي كه بين دو صفحه كريستال EMF [1] توليد مي شود (شكل 1-3) اگر كريستال به مقدار خيلي زياد تحت كرنش قرار گيرد، مي تواند EMF بسيار زيادي، حتي در حدود چند kV[2] ايجاد كند.

 

شكل 1-3 قوانين كريستال پيزوالكتريك . شكل كريستال مكعبي نيست، ولي براي ساده تر كردن مفهوم، جهت اثرات روي يك مكعب نشان داده شده اند. بيشترين اثر الكتريكي روي وجوهي از مكعب به دست مي آيند كه جهت آنها عمود بر وجوهي است كه نيرو اعمال مي شود. محور رسوم محور نوري ناميده مي شود به دليل اينكه نوري كه در اين جهت به كريستال تابانيده مي شود بيشتر از جهات ديگر تحت تاثير پلاريزاسيون قرار مي گيرد.

 

به طوريكه گيج بتواند حس كند، اماآمپدانس خروجي خيلي زياد و معمولآً خازني اصست. شكل 1-4 مدار معادل الكرتيكي و شكل 1-5 پاسخ فركانسي يك كريستال كوارتز اطارف فركانسهاي رزونانس اصلي را نشان مي دهد. خروجي يك استريم گيج پيزوالكتريك DC نيست، لذا اين نوع گيچ براي آشكار سازي تغييرات آهسته مفيد استفاده نمي باشد و كاربرد اصلي آن براي آشكار سازي شتاب است.

دو شكل عمده انواع عناصر استرين گيج، عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روي نمودار بدين صورت بيان مي شود كه نمودار تعيير مقاومت نسبت به تغييرات طول در مسير كاهش تنش دقيقاً همنان مسير مربوط به افزايش تنش را طي نمي كند. (شكب 1-6) اين اثر بايستي كوچ و از مرتبه 025/0 قرائت ماكزيمم باشد.

 

شكل 1-4 مدار معادل يك كريستال كه شامل يك مدار رزونانس با اندوكتانس خيلي بالا، ظرفيت خازني پايين و مقاومت تقريبآً صرفنظر كردمي است.

شكل 1-5 مشخصه الكتريكي كريستال كوارتز

 

شكل 1-6 اثر پس ماند روي يك استرن گيج كه مقدار زيادي در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزايش كرنش خطي است، اما زماني كه كرنش كاهش مي يابد همان مسير را نمي‌پيمايد. نتيجه فوق در گيج داراي مقاومت دائماً متغير زماني كه كرنش حدي مي شود اتفاق مي افتد.

 

كشش بيش از حد يك استرين گيج باعث افزايش زياد در پس ماند مي شود واگر خيلي زياد باشد، باعث مي شود كه گيج يك تغيير دائمي طول را نشان دهد وفير قابل استفاده شود مگر اينكه مجدداً كاليبره شود. مسئله ديگر، لغزش استرين گيج است، مه در نتيجه تغيير تدريجي طول المنت گيج اتفاق مي افتد كه ارتباطي با كرنش ماده اي كه مورد اندازه گيري است ندارد. لغزش نيز بايستي خيلي كوچك و از مرتبه 025/0% قرائت معمولي باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غيرخطي  هستند كه به هيچ وجه حذف شدني نيستند اما با انتخاب دقيق ماده مناسب استرين گيج مي توان مقادير آنها را كاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزايش دماي كار گيج افزايش مي يابند.

 

لودسلها

لودسلها در سيستمهاي توزين الكترونيكي مورد استفاده قرار مي گيرند. يك لودسل عبارت است از يك ترانسديوسر نيرو كه نيرو يا وزن را به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند. اساساً، لودسل از يك مجموعه استرين گيج تشكيل شده است، كه معمولآً چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجي مدار پل ولتاژي است كه مقدار آن متناسب با نيروي وارده به لودسل است. خروجي ولتاژ مورد نظر يا به طور مستقيم پردازش مي شود و يا اينكه ابتدا ديجيتايز شده سپس آماده پردازش مي شود.

 

1-2- تداخل سنجي

روش ديگري براي اندازه گيري كرنش كه داراي امتيازات قابل توجهي نيز هست و حساسيت مناسبي هم دارد روش تداخل سنجي است. اگرچه وصول اين روش كاملاً قديمي است، اما استفاده علمي از آن تا زماني كه ليزرهاي مناسب و تجهيزات وابسته به آن، به همراه شيوه هاي الكترونيك كاربردي قرائت اندازه گيري رايج نشده بود به عهده تعويق افتاد.

قبل از آنكه بخواهيم استرين گيج از نوع تداخل سنج ليزري را تشريح كنيم، لازم است اصول تداخل موج و مشكلات آن وقتي موجهاي تداخلي از نوع نور هستند را بدانيم.

پديده تداخل در همه انواع امواج روي مي دهد (شكل 1-7) وقتي دو بار با يكديگر تلاقي مي گنند و با يكديگر همفاز هستند (پيكهاي هم علامت يكديگر را تقويت مي كنندن)، نتيجه اين تداخل، موجي با دامنه بزرگتر است كه يك موجب تقويت شده است. اين نوع تداخل، تداخل فزاينده دامنه ناميده مي شود. اگر چنانچه دو موجب با فازهاي مخالف هم با يكديگر تداخل كنند، مجموع دو موج يا داراي دامنه صفر خواهد بود يا اينكه دامنه آن كوچه خواهد بود و تداخل آن كاهنده دامنه ناميده مي شود. تغيير تداخل فزاينده دامنه به كاهنده دامنه زماني اتفاق مي افتد كه تعيير فاز يكي از دو موج نسبت به موج ديگر در مدت نيم سيكل صورت پذيرد. اگر امواج از دو منبع منشتر شوند، آنگاه حركت يك منبع با فاصله اي باندازه نصف طول موج براي تغييرنوع تداخل از نوع فزاينده دامنه به نوه كاهنده دامنه و بالعكس كافي خواهد بود. اگر امواجي كه استفاده مي شوند داراي طول موج كوتاه باشند آنگاه فاصله نصف طول موج خيلي كوتاه خواهد بود واين روش اندازه گيري خيلي حساس و دقيقي براي اندازه گيري فاصله خواهد بود.

طول موج نور قرمز حدود nm 700 يا m 7-10 و يا mm 4-10 خواهد بود. به طوري كه با شيفت دادن موج به اندازه نيمي از اين فاصله بين دو منبع نور قرمز مي توان انتظار داشت كه تداخل از حالت كاملاً فزاينده دامنه به حالت كاملاً كاهنده دامنه تبديل شود، در عمل مي توان  تغييرات خيلي كوچكتر از اين مقدار را نيز آشكار كرد. اگر مشكل همدوس بودن امواج نوري وجود نمي داشت اين روش بايستي خيلي زودتر از آنچه بايد مورد استفاده قرار گرفت. تداخل تنها وقتي ممكن است كه امواجي كه با يكديگر تداخل مي كنند در دوره زماني نسبتاً زيادي پيوسته باشند.

هرچند مولدهاي نور معمولي امواج را به صورت پيوسته منتشر نمي كنند. در منبع نوري مانند يك لامپ رشته اي و يا لامپ فلورسنت، هر اتمي كه يك پالس تشعشع نوري را منتشر مي كند، طي مرحله فوق انرژي از دست مي دهد و سپس انتشار نوري را منتشر مي كند، طي مرحله فوق انرژي از دست مي دهد و سپس انتشار انرژي تازماني كه مجدداً به تك تك اتمها است و به صورت يك كميت موج پيوسته نيست اين موضوع باعث مي شود به دست آوردن هر اثر تداخلي بين دو منبع نور معمولي جداگانه غير ممكن باشد و تنها راهي كه تداخل نوري با استفاده از چنين منابع نوري به طور معمولي قابل نمايش است اين است كه نوري كه از روزنه عبور داده شده با يك اختلاف مسير خيلي كوچك، با انعكاس يافته خودش تداخل يابد.

با وجود نور ليزر همه مشكلات فوق رفع مي شود. ليزر شعاعي از نور عرضه مي كند كه درآن همه اتمهاي تشكيل دهنده نور به طور همزمان در حال نوسان هستند. اين نوع شعاع نوري همدوس ناميده مي شود. توسط شعاع نور همدوس مي توان بآساني اثرات تداخلي را نشان داد و امتياز ديگر اين است كه از يك ليزر بآساني مي توان شعاعهاي موازي دقيق را به دست آورد. توسط تداخل سنج همانگونه كه در شكل 1-8 نشان داده شده مي توان اين دو خصوصيت را نشان داد.

نور حاصل از يك ليزر كوچك به يك مجموعه صفحات شيشه اي نيمه منعكس كننده تابانده مي شود و مقداري از اين نور به پرده منعكس مي شود. بقيه نور به منعكس كننده برخورد مي كند، به طوري كه شعاع منعكس شده به صفحات شيشه اي بر مي گردد و ضمناً روي پرده منعكس مي شود. كنون تداخل پترني بين نوري كه از شعاع نوري خارجي شونده منعكس شده ونوري كه از شعاع نوري بازگشتي ايجاد شده شكل مي گيرد . اگر منعكس كننده دور بهاندازه يك چهارم طول موج نور حركت كند، مسير شعاع نور رفت و برگشت از منعكس كننده به اندازه نصف طول موج تغيير خواهد كرد وتداخل بين دو نوع فزاينده دامنه و كاهنده دامنه تغيير خواهد كرد. به دليل اينكه اين يك شعاع نوري است كه باعث مي شود روشنايي روي پرده بين حالت روشن و تاريك تغيير كند توسط يك فتوسل مي تواند اين تغيير را اندازه گيري كرد و با اتصال فتوسل به يك شمارنده ديجيتال از طريق يك تقويت كننده ، تعداد ربع طول موجهاي حركت منعكس كننده دور را مي توان به صورت الكترونيكي اندازه گيري كرد.

 

شكل 1-8 قوانين تداخل سنجي موج. در قسمت (a)  تنظيم ليزر و صفحات شيشه اي نشان داده شده است . صفحات شيشه اي مقداري زا نور را از خود عبور مي دهند ومقداري از آن را منعكس مي كنند. به گونه اي كه هم كنعكس كننده وهم پرده مقداري نور از شعاع ليزر را دريافت مي نمايند. علاوه بر آن، نور برگشتيي از منعكس كننده هم به پرده برخورد مي كند و باعث ايجاد شكل تداخلي مي شود همانگونه كه در قسمت (b) نمايش داده شده است. با حركت دادن منعكس كننده به اندازه نصف طول موج، شكل به اندازه فاصله بين باندها روي پرده حركت خواهد كرد.

 

تداخل سنج اغلب براي بسياري از اهداف به اندازه گافي حساس است. به عنوان مثال، اثر تعييرات دماها بآساني جبران سازي نمي‌شود. اگر چه مي‌تواند با استفاده از مسيرهاي نوري كه دو شعاع تداخل كننده مسيرهاي مساوي طي كرده اند، يكي هم خط با تنش و ديگري در مسير قائم انجام شود. يك امتياز اين روش اين است كه هيچ اتصال فيزييكي بين نقاطي كه فاصله آن اندازه گيري شده اند؛ يعني هيچ سيم و يا نوار نيمه هادي براي اتصال نقاط وجود ندارد؛ بدنه اصلي تداخل سنج در يك مكان است و منعكس كننده در جاي ديگر قرار دارد. فاصله بين قسمت اصلي وسيله و منعكس كننده ثابت نيست، تنها محدوديت اين است كه فاصله نبايستي از فاصله همدوسي ليزر تجاوز كند. اين فاصله متوسطي است كه طي آن فاصله، نور همدوس باقي مي ماند و معمولآً براي يك منبع ليزري لااقل چند متر است.

 

1-3روشهاي فيبر نوري

پيشرفتهاي تكنيكي در رابطه با توليد و استفاده فيبرهاي نوري، باعث شده است كه از اين وسايل بريا اندازه گيري تغييرات فاصله استفاده شود. فيبر نوري (شكا 1-9) از لايه هاي شيشه اي تشكيل شده است به طوري كه لايه هاي بيروني داراي ضريب شكست بيشتري نسبت به لايه هاي داخلي است به دليل اثر انعكاسي كلي داخلي، ساختار فوق باعث باعث مي شود كه شعاع نوري، داخل فيبر به دام بيفتد (شكل 1-10). زماني كه يك شعاع نوري يك مسير مستقيم را داخل فيبر طي مي كند، تعداد انعكاسات داخلي كوچك خواهد بود، اما اگرفيبر خميده شود، آنگاه تعداد انعكاسها به طور قابل توجهي افزايش مي يابد و اين امر باعث مي شود مسير پيموده شده توسط نور افزايش يابد. بنابراين زمان مورد نياز براي عبور مسير پيموده شده تغير يافته و به دنبال آن فاز تغيير مي كند اين تغيير  فاز را مي توان با نوع چيدمان همانند شكل 1-11 براي آشكارسازي تغييرات كوچك مورد استفاده قرار داد. دو عدد آرواره ، همانطوري كه با هم حركت مي كنند، باعث مي شوند فيبر نوري به شكل زيگزاگ مانند  درآيد كه درآن شعاع نوري  در فيبر چندين بار منعكس خواهد شد.

فاصله اضافي پيموده شده توسط شعاع نوري باعث ايجاد تاخيري مي شود كه با تداخل سنجي، با استفاده از يك شعاع نوري ديگر از يك فيبر بات همان مشخصات ضريب شكست قابل آشكار سازي است. به دليل اينكه ارتباط ساده اي بين مقدار حركت و مقدار تاخير حركت نور وجود ندارد، سنسور را بايستي در كل محدوده كاري مربوط به آن كاليبره و تنظيم كرد.

 

شكل 1-9 ساختمان فيبر نوري، فيبر نوري يك م.اده منفرد نيست بلكه از جنس شيشه يا (با فوايد كمتر) از جنس پلاستيك است. اين مواد داراي خواص متفاوتي هستند و محدود شكست نور در آنها متفاوت است (قابليت شكست) به طوري كه هر شعاع نوري كه از محل اتصال بين مواد فيبر به داخل فيبر نفوذ گند، متوالياً منعكس مي شود و بنابراين داخل فيبر به دام مي افتد.

 

شكل 1-10- انعكاس داخلي كلي (a) زماني كه يك شعاع نوري از يك محيط با غلظت بيشتر (با قابليت شكست بالاتر)به يك محيط كه داراي چگالي نروي كمتر است (قابليت شكيت نور درآن كمتر است) وارد مي شود، مسير شعاع نوري از خط عمود بر سطح مشترك دو محيط دور مي شود (b) اگر تغيير زاويه شعاع نوري تابيده شده ادامه يابد شعاع نوري كه به محيط با چگالي كمتر وارد مي شود تقريباً به موازات سطح مشترك دو محيط نزديك مي شود  ( c)  ادامه تغيير زاويه شعاع تابش باقي مي ماند. استفاده از دو نوع شيشه در يك فيبر نوري اين اطمينان را مي دهد كه سطح انعكاس همواره بين دو شيشه با ضريب شكست معين بوده وشيشه بيروني داراي شكست كمتري نسبت به شيشه داخلي است و بنابراين همواره بازتايش كلي رخ مي دهد.

 

1-4 گيجهاي فشار

فشار در يك مايع يا يكي گاز به معني مقدار نيروي وارده از طرف گاز يا مايع بر واحد سطح است. فشار و تنش مكانيكي هر دو واحد اندازه گيري مشابه هستند و در مورد مواد جامد، كميت سطح/ نيرو همواره به جاي اينكه به عنوان فشار معرفي شود تنش ناميده مي شود. در مورد ماده جامد، مقدار تنش يا با دانستن نيرو و سطح مقطع و يا از روي مقدار كرنش قابل محاسبه است. در جاهائي كه تنش بر يك سيم و يا خرپا اعمال مي شود، شايد محاسبه تقسيم تنش ممكن باشد، اما جون مقدار كرنش توسط روشهاي الكترونييك قابل اندازه گيري است، استفاده از رابطه نشانداده شده در جدول 1-1 معمولآً آسانتر به نظر مي رسد.

 

شكل 1-11 استفاده از فيبرهاي نوري براي آشكار سازي تغييرات كوچك فاصله بين دو نقطه: بسته شدن آروداره ها باعث مي شود شعاعهاي نوري مجبور به بازتابهاي بيشتري بشوند و بنابراين طول كلي مسير نور افزايش يابد. با مقايسه اين شعاعهاي نوري با شعاعهاي نوري كه از فيبر بدون خم زيگزاگ گذرانده مي شود يك شكل تداخل نور روي پرده مشاهده خواهد شد وحركت شكل تداخلي مربوط به اعوجاج يكي از فيبرها است. حساسيت در اين روش به بزرگي روش تداخل سنجي مستقيم نيست و استفاده از فيبرها روش را به صورت كلي تري عمل مي كند، به ويژه در مايعات كدر و يا محيطهاي ديگري كه نور به صورت نرمال از آن قابل نفوذ نيست.

 

مدلويانگ كميتي است كه براي هر ماده اي شناخته شده است و حتي مي توان آن راب راي يك نمونه ماده اندازه گيري كرد واحد اندازه گيري تنش N/m2 واحد كوچكي است، معمول تر اين است كه كميت با كيلو پاسكال (kPa) بيان مي شود. به عنوان مثال، فشار طبيعي اتمسفر kPa 3/101 است.

اندازه گيري فشار در مايعات و گازها بين دو محدوده معين اتفاق مي افتد. معمولاً فشار در مايعات از حدود فشار اتمسفر بالاتر است و روشهايي كه براي اندازه گيري اين نوع فشار به كار مي رود براي مايعات و گازها مشابه است. اما در مورد گازها بايست گفت، ممكن است لازم شود فشارهايي اندازه گيري شود كه مقدار آنها كمتر از فشار اتمسفر باشد و در مواردي اين فشار خيلي كمتر از فشار اتمسفر است. چنين اندازه گيري هايي تخصصي تر هستند.

 

جدول 1-1 تنش كرنش و ثابتهاي الاستيك مدول يانگ و مدول بولك

(براي تنش كششي) مدول يانگ* كرنش = تنش

مثال: اگر كرنش اندازه گيري شده 001/0 و مدول يانگ براي ماده اي N/m2 1010*20 باشد آنگاه مقدار تنش عبارتست از :

براي تنش حجم خواهيم داشت:

مدول حجم * كرنش = تنش

در شرايطي كه

حجم اوليه/ تغيير در حجم= تنش حجم

 

و بايستي براي آنها زا روشهاي اندازه گيري كاملآً متفاوتي استفاده كرد. در اين مبحث ابتدا محدوده فشار بالا در گازها و مايعات مورد بررسي قرار مي گيرد.

سنسورهاي فشار كه به منظور اندازه گيري فشار اتمسفري و يا بالاتر ازآن ساخته شده اند مي تواندد از اثرات مستقيم و يا غير مستقيم بر پايه عمل فشار است كه باعث شود ديافراگم، يك پيستون و يا وسيله ديگري جابجا شود، به طوريكه توسط يك اندازه گيري الكترونيك و يا تشخيص جابه جايي بتوان رابطه فشار را به دست آورد. آشناترين قانون در اين مورد مربوط به فشارسنج آنه روئيد است. كه در شكل 1-12 نشان داده شده است. ديافراگم توسط يك سيستم اهرمي كه عقربه نمايشگر فشار را تشكيل مي دهد آشكار مي شود. براي اندازه گيري الكترونيك ديافراگم توسط يك سيستم اهرمي كه عقربه نمايشگر فشار را تشكيل مي دهد آشكار مي شود. براي اندازه گيري الكترونيك ديافراگم مي تواندر يو هر نوه ترانسديوسر جابه‌جايي عمل كند و يكي از مناسبترين آنها، نوع خازني است كه در شكل 1-13 نشانداده شده است . ديافراگم همانگونه در شكل پيداست از صفحه ثابت عقبي عايق شده است و مقدار ظرفيت خازني بين ديافراگم و صفحه ثابت قسميت از مدار روزنانس سك اسيلاتور را تشكيل مي دهد. با كاهش فضاي بين ديافراگم و صفحه ثابت ، همانگونه كه در شكل 1-13 b مشاهده مي شود ظرفيت خازني افزايش يافته و بنابراين فركانس روزنانس اسلاتور كاهش مي يابد.

 

شكل 1-12 قانون فشار سنج آنه روئيد. فشار سنج معمولي داراي يك كپسول آنه روئيد است كه آب بندي شده و فشار داخل آن پايين است. تغييرات فشار داخلي باعث مي شود ديافراگم حركت كند و در فشار سنج معمولي اين حركتها توسط مجموعه اي از اهرمها تقويت مي شوند.

 

كنترل كننده تناسبي انتگرالي بادي

شكل 6-34 طرح كلي يك كنترل كننده تناسبي – انتگرالي را نشان مي دهد

 

شكل 6-34 طرح كلي يك كنترل كننده PI بادي

 

اين طرح از نظر تجهيزات شبيه به طرح قبل (كنترل كننده PD مي باشد با اين تفاوت كه فيدبك عناصر R و C روي تقويت كننده مثبت مي باشد. نمايش جعبه اي اين كنترل كننده مطابق شكل 6-35 است.

 

شكل 6-35 نمايش جعبه اي كنترل كننده PI بادي

 

تابع تبديل كننده بدست مي آيد:

رابطه 6-28 يك كنترل كننده PI را بيان مي دارد در اينجا نيز بوسيله نسبت Kp, و توسط R مقدار Ti تنظيم مي شود.

طرح كنترل كننده PI ظاهراً با آنچه كه انتظار داشتيم متفاوت بنظر مي رسد اما با دقت بيشتر در واقع اينظور نيست. زيرا اگر عمل تناسب – انتگرال را بصورت زير نمايش دهيم:

عكس آن مي شود:

كه مي توان آن را بصورت زير هم نشان داد:

نمايش جعبه اي رابطه 6-29 بصورت زير مي باشد.

 

كه در واقع به شكل مسير برگشت در نمايش جعبه اي 6-35 مي باشد. اساساً در انواع كنترل كننده هاي بادي كه به نوعي  عمل انتگرالي وجود داشته باشد يك مسير برگشت بصورت فيدبك مثبت نيز وجود دارد.

طرز كار اين كنترل كننده ها را بگونه اي ديگر نيز مي توان توجيه نمود. فرض كنيد تيغه در يك حركت پله اي به دهانه نزدكي شود در اين حال فشار پشتي بالا مي رود و دم I در شكل 6-34  فيدبك منفي را برقرار مي كند. (قسمت تناسبي) اما بدليل وجود R دم II هنوز تاثيري رد كار سيستم ندارد. اما رفته رفته دم II نيز از طريق R شارژ شده و فيدبك مثبت را برقرار مي كند يعني با انبساط خود تيغه را بيشتر به دهانه نزديك نموده و فشار پتشي همچنان بالا مي رود. در اينجا آنچه كه اتفاق مي افتد بطور كيفي در شكل (6-36) نمايش داده شده است.

 

شكل 6-36 پاسخ كيفي كنترل كننده PI بادي به خطاي پله

 

توجه نمائيد كه بدين ترتيب فشار Po هيچگاه به مقدار تعادل برنمي گردد مگر آنكه خطا e براي مدتي برابر با مدت فوق بصورت يك پله منفي (قرينه مقدار قبل) باقي بماند و اين  همان رفتاري است كه از مدار انتگرال گير انتظار داريم.

 

كنترل كننده تناسبي- انتكرالي مشتق گير بادي

با شناختي كه از كنترل كننده هاي تناسبي- انتگرالي و تناسبي –مشتق گير داريم، طراحي يك كنترل كننده تناسبي – انتگرالي – مشتق گير بسيار آسان است.

طرح كلي چنين كنترل كننده اي مطابق شكل 6-37 مي باشد.

 

شكل 6-37 كنترل كننده PID بادي

 

نمايش جعبه اي اين كنترل كننده نيز در شكل 6-38 آمده است و بيان طرز كارآن بعنوان تمرين بعهده خواننده واگذار مي گردد. توجه نمائيد كه در اين طرح قسمت PD فيدبك منفي و قسمت PI فيدبكي مثبت حول تقويت كننده دهانه – تيغه برقرار مي كنند.

 

شكل 6-38 نمايش جعبه اي كنترل كننده PID بادي

با توجه به نمايش جعبه اي تابع تبديل كنترل كننده را بصورت زير بدست مي آوريم :

مشتق گيري عمل سريع وكوتاه مدتي است درحالي كه انتگرال گيري عملي دراز مدت و مداوم است. بنابراين طبيعي است كه در يك منترل كننده PID زمان انتگرال گيري (ميانگين گيري) بسيار بزرگتر از زمان مشاهده تغييرات (پنجره تعيين تغييرات) باشد. بنابراين در رابطه (6-30) شرط  يا  شرايط الزامي است.

اكنون اصل كلي در طرح كنترل كننده ها را مي نويسيم:

با رعايت اصل فوق تابع تبديل بصورت زير در مي آيد:

در رابطه (6-31)  مي باشد.

كنترل كننده هاي بادي كه توسط كمپاني هاي مختلف ساخته مي شوند كم و بيش از طرح هائي مشابه با طرح هاي فوق استفاده مي نمايند و در صورت درك عمق طرح هائي كه در انيجا ارائه گرديدند طرح هاي جديداحتمالي نيز قابل درك و شناسائي خواهند بود.

كيفيت قطعات و در نتيجه قيمت كنترل كننده ها بر حسب مورد كاربرد ممكن است تفاوت هايي چشمگير داشته باشند مسلماً يك كنترل كننده PI مورد استفاده در هواپيما بسيار گرانتر از كنترل كننده مشابه اي است كه در ماشين پخت تاير مورد استفاده قرار مي گيرد.

 

7-7 كنترل كننده هاي هيدروليكي

سيستم هاي هيدروليكي به دليل ويژگي هاي خاص خود كاربردهاي فراواني در صنعت دارند مهمتين ويژگي سيستم هاي هيدروليكي توانائي در اعمال تثبيت و كنترل نيروهاي عظيمن مي باشد.

در دسترس بودن هوا موجب سهولت كار در طراحي سيستم هاي پنوماتيكي ميگردد، بگونه اي كه تخليه هواي فشرده از طريق دهانه يك تقويت كننده و يا از قسمتهاي ديگر اشكالي در محيط زيست يا در عملكرد سيستم ايجاد نمي كند اماد رمورد سيستم هاي هيدروليكي چنين نيست و تخليه يا نشت روغن پرفشار توليد خط رآلودگي مي كند بعلاوه روغن هيدروليك با ارزش است و از بين رفتن آن هزينه را بالا مي برد به همين دليل سيستم هاي هيدروليكي مي بايد داراي مسير برگشت روغن باشند و اين امر طراحي آنها را تحت تاثير قرار مي دهد.

 

تقويت كننده هاي هيدروليكي

در تقويت كننده هاي هيدروليكي معمولآً مطابق شكل 6-39 ورودي را جابه جايي وخروجي را نيرو يا جايجايي در نظر مي گيرند.

 

شكل 6-39 بيان كلي تقويت كننده هيدروليكي

 

گاهي يك تقويت كننده علاوه بر تقويت كنندگي ، عملي ديناميكي (مثلاً انتگرال گيري) نيز بر روي ورودي انجام مي دهد.

 

تقويت كننده سيلندر پيستوني (سروموتور)

شكل 6-40 يك تقويت كننده سيلندر پيستوني هيدروليكي را نشان مي دهد. در اين شكل X سيگنال ورودي (جابهجايي و Y سيگنال خروجي است.

اگر X به راست حركت كند شير راهنما فشار تغذيه را به ورودي I و فشار تانك را به ورودي II سيلندر قدرت متصل مي سازد و با جاري شدن روغن پرفشار، پيستون قدرت به سمت راست حركت مي نمايد.

 

شكل 6-40 تقويت كننده سيلندر پيستوني هيدروليكي

 

در اين حالت جابهجائي Y نيز به سمت راست خواهد بود به همين ترتيب جابجائي X به سمت چپ موجب جابجايي Y به سمت چپ مي گردد.

براي درك بهتر رابطه بين X,Y شكل 6-41 را در نظر بگيريد . در اين شكل بدليل اختلاف فشار P1 و P2 سيال تراكم ناپذير از روزنه اي به مساحت X عبور مي كند.

 

شكل 6-41 عبور دبي در اثر اختلاف فشار در دو طرفه روزنه

 

اصل بقاي انرژي درحركت يكسيال تراكم ناپذير ، رابطه دبي حجمي جاري شده از ميان روزنه را بصورت زير نشان مي دهد:

در رابطه بالا ضريب ثابت است.اگر فشار P1 همواره ثابت باشد فشار P2 را حول نقطه تعادل با P2 نشان دهيم. رابطه را بصورت زير مي توان نوشت

رابطه اي غير خطي است ونشان مي دهد كه دبي جاري شده به فشار  P2 و سطح روزنه بستيگ دارد. اگر تغيرات (x)X و تغييرات (p)P2 حول نقطه تعادل كوچك باشند. رابطه 6-33 را مي توان با يك رابطه خطي بصورت زير تخمين زد:

در رابطه بالا k2,k1 ضرايب ثابتي هستند كه آنها را مي تمان حول هر وضعيت دلخواه با ازمايش بدست اورد.

اكنون به تقويت كننده هيدروليكي باز مي گرديم. اگر مطابق شكل ورودي x به اندازه x از وضعيت تعادل له سمت راست حركتكند، سطح روزنه فشار تغذيه متناسب با x باز مي شود و روغن تحت فشار Ps امكان جاري شدن به سمت ورودي I سيلندر قدرت را پيدا مي ‌كند.

 

شكل 6-42 عبور دبي از فاصله پيستون با سيلندر

 

با توجه به رابطه بالا مي توان نوشت

اگر جريان روغن به مدت dt ادامه داشته باشد و در اين مدت پيستون به اندازه dy به سمت راست حركتكند، حجم روغن جاري شده برابر حجمي است كه پيستون به سمت راست جابجا شده است يعني :

وبا استفاده از روابط  روابط بالا خواهيم داشت:

رابطه بالا فشار برآيند وارد بر پيستون قدرت را نشان مي دهد كه نيروي وارد بر پيستون بدست مي آيد:

رابطه 6-39 ارتباط بين ورودي x و خروجي y تقويت كننده را از طريق يك كميت سوم F بيان مي كند. بنابراين براي آنكه رابطه بين x,y را بدست آوريم ناچاراً F بايد بر حسب X يا Y بيان شود و بديهي است كه مي بايد F را بگونه اي بر حسب y بيان نمائيم.

 

بار فنري:

اگر بار متصل به تقويت كننده فنري باشد خواهيم داشت:

 

و رابطه 6-39 مي دهد:

در رابطه 6-40 اگر ثابت زماني T خيلي كوچك باشد يك تقويت كننده با گين a خواهيم داشت. (اين حالت معمولآً بر قرار نيست)

 

بار جرم و اصطكاك:

دراين حالت داريم:

 

و رابطه 6-39 مي دهد :

 

كه بدست مي آوريم:

سيستم هاي هيدروليكي با فشارهاي خيلي بالا كار مي كنند بنابراين براي ايجاد نيروئي دلخواه، يك سطح پيستون كوچك كافي است. به همين دليل وزن و حجم سيستم هاي هيدروليكي با توجه به نيروئي كه توليد ني كنند بسيار پاييئن است. همچنين به دليل تراكم ناپذيري سيال و فشار بالاي آن انتقال نيرو بسيار سريع است. بنابراين در رابطه 6-42  معمولآً از ثابت زماني T مي توان صرفنظر نمود ونوشت‌:

رابطه 6-42 نشان مي دهد كه يك تقويت كننده سيلندر پيستوني هيدروليكي تحت بار جرم و اصطكاك يك تقويت كننده انتگرالي مي باشد و چنين رفتاري با توجه به ساختمان آن مورد انتظار است.

شرايطي كه در آن سرو موتور هيدروليكي را مورد بررسي قرار داديم شرايطي كاملاً ايده آل مي باشند. در عمل براي برقراري نسبي شرايط فوق مخصوصاً رابطه 6-44 مي بايد نكاتي را در طراحي سيستم هاي هيدروليكي مورد توجه قرار دادر. از جمله ويژگي هاي پمپ هاي تامين كننده فشار كيفيت روغن هيدروليك و تميز بودن آن شكل روزنه و توپي spool در شيرها و …

 

تقويت كننده دهانه تيغه هيدروليكي

طرح كلي يك تقويت كننده دهانه – تيغه مطابق شكل 6-42 مي باشد

 

شكل 6-42 تقويت كننده دهانه تيغه هيدروليكي

 

اين تقويت كننده ها مشكلات و پيچيدگي انواع سيلندر پيستوني را ندارند واز نظر قيمت ارازنتر نيز مي باشند. طرز كار آنها تا حد زيادي شبيه به تقويت كننده هاي دهانه – تيغه پنوماتيكي مي باشد. در ايجا P1 فشار ثابت تغذيه مي باشد بنابراين تغييرات كوچك x موجب تغييرات شديد فشار P2 مي گردد. هنگاميكه تيغه كاملاً دور شود فشار P2 كم و برابر فشار محيط مي شود.

با توجه به مطالب بخش قبل و ثابت نمودن سطح مانع مقدار دبي روغن كه از سمت راست جريان  پيدا مي كند برابر است با :

همچنين دبي روغني كه از دهانه به بيرون جريان پيدا مي كند با توجه به ثابت بودن قطر دهانه با تقريب خوب نوشته مي شود:

با توجه به روابط 6-43 و 6-44 دبي روغني كه وارد (خارج) محفظه سيلندر و پيستون ميگردد برابر است با:

اين دبي برابر تغيير حجم سيلندر (در طرف چپ يا راست) مي باشد. بنابراين اگر پيستون در زمان dt جابجايي dy را داشته باشد خواهيم داشت:

تقويت كننده هاي دهانه –تيغه را معمولآً براي بارهاي فنري بكار مي برند. در اينصورت فشار P2  به صورت زير به جابجائي Y مربوط مي گردد.

جهت دریافت و خرید متن کامل پایان نامه و تحقیق و مقاله مربوطه بر روی گزینه خرید که در بالای صفحه قرار دارد کلیک نمایید و پس از وارد کردن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت هایی عضو شتاب قابل پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت انلاین به صورت خودکار لینک دانلود مربوطه فعال گردیده که قادر به دانلود فایل کامل ان می باشد

 

 

 

پاسخ دهید