سنسورهای فشار: اصول، فناوری‌ها، کاربردها
سنسورهای فشار (Pressure Sensors) یکی از پرکاربردترین انواع سنسورها در صنعت، پزشکی، خودروسازی، هوافضا و حتی لوازم خانگی هوشمند به شمار می‌روند. این سنسورها نقش مهمی در پایش و کنترل شرایط محیطی و فرآیندهای فنی دارند. در این مقاله به بررسی اصول عملکرد، انواع فناوری‌های موجود و کاربردهای متنوع سنسورهای فشار می‌پردازیم.
اصول عملکرد سنسورهای فشار
سنسور فشار وسیله‌ای است که فشار فیزیکی واردشده از یک مایع یا گاز را شناسایی کرده و آن را به سیگنالی الکتریکی تبدیل می‌کند که توسط سیستم‌های کنترلی قابل تحلیل باشد. اصل اساسی کار سنسورهای فشار، تبدیل یک کمیت مکانیکی (فشار) به سیگنال الکتریکی قابل پردازش است.
فشار معمولاً به وسیله دیافراگم یا عنصر حسگر دیگری به صورت مکانیکی دریافت شده و این تغییر مکان یا نیرو باعث ایجاد تغییر در مقاومت، ظرفیت خازنی، ولتاژ یا ویژگی‌های نوری می‌شود. این تغییرات توسط مدارهای الکترونیکی تحلیل شده و به اطلاعات مفید تبدیل می‌شوند.
فناوری‌های ساخت سنسور فشار
فناوری‌های مختلفی برای ساخت سنسورهای فشار به کار می‌روند که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در ادامه با مهم‌ترین آن‌ها آشنا می‌شویم:
1. سنسور پیزورزیستیو (Piezoresistive)
این سنسورها از خاصیت تغییر مقاومت الکتریکی مواد نیمه‌هادی در اثر فشار استفاده می‌کنند. این فناوری دقت بالا و پاسخ سریع دارد و در کاربردهایی مانند تجهیزات پزشکی و خودروسازی بسیار رایج است.
2. سنسور خازنی (Capacitive)
در این نوع سنسورها، فشار باعث تغییر فاصله بین دو صفحه خازنی می‌شود. تغییر ظرفیت خازن باعث تولید سیگنال قابل اندازه‌گیری می‌گردد. این سنسورها حساسیت بالایی دارند و برای فشارهای پایین بسیار مناسب‌اند.
3. سنسور پیزوالکتریک (Piezoelectric)
در این فناوری، مواد خاصی مانند کریستال‌های کوارتز، در اثر فشار ولتاژ تولید می‌کنند. سنسورهای پیزوالکتریک معمولاً برای اندازه‌گیری فشارهای متغیر سریع (دینامیک) استفاده می‌شوند، مانند ضربه یا لرزش.
4. سنسور نوری و مغناطیسی
در این سنسورها، از تغییر در ویژگی‌های نوری (مانند شکست نور یا شدت نور عبوری) یا تغییر در میدان مغناطیسی استفاده می‌شود. این فناوری‌ها معمولاً در محیط‌های خاص و حساس کاربرد دارند.
دسته‌بندی سنسورهای فشار بر اساس نوع اندازه‌گیری
سنسورهای فشار می‌توانند بر اساس نوع فشاری که اندازه‌گیری می‌کنند به دسته‌های زیر تقسیم شوند:
فشار مطلق (Absolute Pressure): نسبت به خلأ مطلق اندازه‌گیری می‌شود.
فشار گیج (Gauge Pressure): نسبت به فشار جو (معمولاً 1 atm) اندازه‌گیری می‌شود.
فشار تفاضلی (Differential Pressure): اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف را نشان می‌دهد.
کاربردهای سنسور فشار
سنسورهای فشار به دلیل قابلیت‌های بالا و دقت مناسب، در بسیاری از حوزه‌ها به کار گرفته می‌شوند:
1. خودروسازی
در خودروها از سنسور فشار برای کنترل فشار روغن موتور، فشار باد تایر (TPMS)، فشار سوخت، و سیستم‌های ترمز ABS استفاده می‌شود. این سنسورها نقش حیاتی در عملکرد ایمن خودرو دارند.
2. پزشکی
در دستگاه‌هایی مانند مانیتورهای فشار خون، دستگاه‌های تنفس مصنوعی (ونتیلاتور)، پمپ‌های تزریق و تجهیزات تصویربرداری از سنسورهای فشار استفاده می‌شود.
3. صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
برای نظارت بر فشار در خطوط انتقال، مخازن ذخیره‌سازی و پالایشگاه‌ها از سنسورهای مقاوم و دقیق استفاده می‌شود که باید در برابر دما، خوردگی و فشار بالا مقاوم باشند.
4. هوافضا
در سیستم‌های ناوبری، کنترل فشار کابین، سیستم سوخت‌رسانی و توربوپمپ‌ها از سنسورهای فشار سبک‌وزن و دقیق استفاده می‌شود.
5. اتوماسیون صنعتی
در خطوط تولید، سنسورهای فشار در کنترل فرآیندهایی مانند تزریق مایعات، کنترل پنوماتیک، هیدرولیک و نظارت بر کیفیت استفاده می‌شوند.
6. لوازم خانگی و اینترنت اشیا (IoT)
در لوازم خانگی مانند ماشین لباس‌شویی، ظرف‌شویی و دستگاه‌های تصفیه آب برای تنظیم فشار آب یا بخار استفاده می‌شود. همچنین در خانه‌های هوشمند، سنسورهای فشار بخشی از سیستم‌های نظارتی هستند.
نتیجه‌گیری
سنسورهای فشار جزو عناصر کلیدی در بسیاری از سیستم‌های فناورانه و صنعتی به شمار می‌آیند. با توجه به تنوع فناوری‌ها و نیازهای مختلف در صنایع، انتخاب سنسور مناسب از نظر دقت، نوع فشار، محیط عملکرد و قیمت بسیار اهمیت دارد. با پیشرفت فناوری‌های ساخت، نسل‌های جدیدتری از این سنسورها با دقت بیشتر، اندازه کوچکتر و توان مصرفی پایین‌تر به بازار عرضه خواهند شد که تحول بزرگی در دنیای اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند
