سنسورهای نیرو، نیروهای مکانیکی اعمال شده را به سیگنال‌های الکتریکی متناسب با اندازه نیرو تبدیل می‌کنند
سنسورهای نیرو (Force Senosrs) المان‌هایی هستند که برای تبدیل نیروهای مکانیکی اعمال شده (مانند فشار و هل دادن) به سیگنال‌های الکتریکی متناسب با اندازه نیرو به کار می‌روند. این سیگنال‌ها می‌توانند به نشانگرها، کنترلرها یا کامپیوترها ارسال شوند تا با پردازش آنها فرمان واکنش مناسب به دستگاه‌ها ارسال شود.
یک سنسور نیرو چگونه عمل می‌کند؟
در ابتدا باید شرح دهیم که چه قوانینی پشت عملکرد این سنسور قرار دارد و طرز کار این سنسور به چه صورتی است. یک گیج (Gauge) کششی را در نظر بگیرید. فویل فلزی یک سنسور می‌باشد که مقاومت الکتریکی‌اش با اعمال نیرو تغییر می‌کند. به عبارتی دیگر این سنسورها نیروی فشار، لرزش، گشتاور، فشردگی و وزن را به تغییری در مقاومت الکتریکی تبدیل می‌کند.
گیج‌های کششی هادی‌های الکتریکی هستند که به یک فیلم زیگ زاگی متصل شده‌اند. هنگامی که این فیلم کشیده می‌شود، هادی‌ها نیز کشیده شده و اگر فشار به هادی‌ها وارد شود، فشرده می‌شوند. این تغییرات در شکل فیلم سبب می‌شود که مقاومت الکتریکی هادی‌ها نیز تغییر پیدا کند و به این ترتیب میزان نیروی وارده قابل اندازه‌گیری خواهد بود. مقاومت گیج با کشش افزایش و با فشار و انقباض کاهش پیدا می‌کند.
ساختار سنسور نیرو
به لحاظ ساختاری، یک سنسور نیرو از یک بدنه‌ی فلزی ساخته شده و به فویل گیج کششی متصل شده‌است. بدنه‌ی سنسور به طور معمول از آلومینیوم یا استیل ضدزنگ است که باعث می‌شود مقاومت لازم برای نیروهای شدید تامین شود و از طرفی قابلیت ارتجاعی بالایی دارند و به محض حذف نیرو دوباره به شکل اولیه خود بازمی‌گردند.
هنگامی که نیرو (از هر نوعی) به سنسور اعمال می‌شود، بدنه‌ی فلزی همانند یک فنر عمل خواهد کرد و به تدریج از حالت اولیه اش خارج می‌شود و در صورتی که نیروی بیش از اندازه به آن اعمال نشود، می‌تواند دوباره به حالت اولش بازگردد. با تغییر شکل فیلم، گیج کششی نیز به تدریج تغییر حالت می‌دهد و مقاومت الکتریکی‌اش نیز تغییر می یابد که متعاقبا باعث ایجاد اختلاف پتانسیلی در مدار پل وتستون می‌شود. تغییر اختلاف پتانسیل با نیرویی که به گیج وارد شده رابطه‌ی مستقیم دارد که می‌تواند از طریق مدار خروجی ولتاژ محاسبه گردد.
سنسورهای نیرو در انواع و سایزهای مختلف در دسترس می‌باشند و از آنها می توان برای تشخیص نیروهایی با قدرت یک اونس تا صدها تن استفاده نمود. این سنسورها در محصولات زیادی به چشم می‌خورند؛ مانند سازهای موسیقی، اتومبیل‌ها، تجهیزات پزشکی، ترازوها و …
انواع سنسور نیرو
سنسورهای نیرو انواع مختلفی دارند که هر کدام از تکنولوژی متفاوتی بهره می‌برند تا قادر باشند اندازه و جهت نیروی وارده را تشخیص دهند و سپس یک سیگنال خروجی بسازند. پرکاربردترین سنسورهای نیرو، لودسل ها (load cells)، استرین گیج‌ها و سنسورهای نیروی مقاومتی (Force Sensing Resistors) (FSR) هستند.
لودسل یا سلول‌های بار
لودسل‌ها نوعی از مبدل/سنسورهای نیرو هستند که می‌توانند نیروی اعمال شده را به یک سیگنال خروجی تبدیل کنند که می‌توان از آن برای اندازه گیری نیروهای مختلف از جمله نیروی فشردگی و وزن بهره برد. سلول‌های بار از تکنولوژی‌های متفاوتی برای ساخت خروجی استفاده می‌کنند. بنابراین اشکال گوناگونی دارند مانند:
- لودسل‌های پنوماتیک (با فشار هوا کار می کنند) (Pneumatic Load Cell)
- لودسل‌های هیدرولیک (Hydraulic Load Cell)
- لودسل‌های کریستال پیزوالکتریک (Piezoelectric Crystal Load Cell)
- لودسل‌های القایی (Inductive Load Cell)
- لودسل‌های خازنی (Capacitive Load Cell)
- لودسل‌های محدودکننده مغناطیسی (Magnetorestrictive Load Cell)
- لودسل‌های استرین گیج (Strain Gauge Load Cell)
لودسل پنوماتیک
دارای یک منبع هوای فشرده می‌باشند که از طریق یک رگولاتور فشار به اتاقکی در داخل سلول بار انتقال می‌یابد. یک دیافراگم منعطف هنگامی که نیرو به صفحه بالایی لودسل اعمال می شود، فشرده می‌شود. یک گیج فشار، میزان فشار پنوماتیک وارده را اندازه‌گیری می کند. میزان فشاری که برای بالانس کردن وزن شی هدف نیاز است، می‌تواند برای اندازه‌گیری وزن به کار رود و در صورت لزوم می‌تواند به یک سیگنال تبدیل شود.
لودسل هیدرولیک
این المان‌ها تا حد زیادی شبیه به لودسل های پنوماتیک هستند و با استفاده از مایعات فشرده شده مانند روغن هیدرولیک یا آب، بار اعمال شده را به تعادل می‌رسانند. یک دیافراگم منعطف در داخل سلول بار در زیر یک پیستون قرار دارد که به یک صفحه به نام سکوی بار متصل شده. هنگامی که نیروی وزن به سلول بار اعمال می‌شود، نیروی وزن شی پیستون را تکان می‌دهد و متعاقبا پیستون دیافراگم را جمع می‌کند و مایع درون اتاقک فشرده می‌شود که باعث افزایش فشار مایع می‌شود. یک گیج فشار، تغییرات در فشار را مانیتور می‌کند. مقدار فشار به طور مستقیم با نیروی وارده یا وزن رابطه دارد. پس از کالیبراسیون، اطلاعات مربوط به فشار می تواند تبدیل به یک سیگنال خروجی الکتریکی (سیگنال جریان استاندارد 4-20mA) شود. سلول‌های بارهیدرولیک همانند نوع پنوماتیک به صورت مستقیم متکی بر استفاده از جریان الکتریکی نمی‌باشند. بنابراین می‌توان از آنها برای شرایطی که خطر بالقوه انفجار وجود دارد؛ استفاده کرد.
لودسل پیزوالکتریک
این المان بر اساس اثر پیزوالکتریک کار می‌کند. پیزو یک لغت یونانی به معنی “چلاندن” می‌باشد. درون یک لودسل گروهی از المان‌های کریستالی قرار دارد که بین‌شان الکترود وجود دارد. در غیاب استرس مکانیکی، کریستال‌ها فشرده نیستند و دارای شارژ الکتریکی متعادلی هستند. هنگامی که استرس مکانیکی یا فشار وزن به کریستال‌ها وارد می‌شود، کریستال تغییر شکل می دهد که متعاقبا باعث ایجاد تغییراتی در قرینه بودن بارهای الکتریکی کریستال می‌شود و با به وجود آمدن اختلاف پتانسیل و اندازه‌گیری مقدار آن می‌توان به میزان نیروی وارده پی برد. سپس یک دستگاه به نام تقویت‌کننده الکتریکی می‌تواند مقدار بار الکتریکی موجود در کریستال را به یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال برای نمایش یا پردازش تبدیل کند.
لودسل القایی
این نوع سنسورهای نیرو دارای یک هسته‌ی فرومغناطیسی هستند که درون یک سیم پیچ یا سلونوئید قرار گرفته‌است. هنگامی که فشار به سنسور اعمال می‌شود، موقعیت هسته در داخل سیم پیچ سلونوئید تغییر می‌کند و باعث می‌شود که تغییراتی در اندوکتانس سیم پیچ یا القاگر به وجود بیاید. اگر تغییرات به وجود آمده در اندوکتانس اندازه‌گیری شوند، می توان اندازه ی جابه جایی سیم پیچ را به دست آورد و متعاقبا به میزان نیروی وارده پی خواهیم برد. یک المان به نام سلول بار رلوکتانس به صورت مشابهی عمل می‌کند. (تغییر رلوکتانس مغناطیسی یک فاصله‌ی هوایی، در پاسخ مستقیم به اعمال نیرو)
لودسل خازنی
از اصل تغییر ظرفیت خازنی سنسور برای اندازه‌گیری اندازه‌ی نیروی وارده استفاده می‌کنند. در داخل این سنسورها گروهی از صفحه‌های موازی قرار دارد که به صورت الکتریکی شارژ می شوند تا به وضعیت پایدار الکتریکی برسند و یک خازن را تشکیل بدهند. میزان شارژ ذخیره شده روی صفحات به صورت مستقیم با مساحت صفحه و به صورت معکوس با فاصله‌ی بین صفحات ارتباط دارد. هنگامی که فشار وزن به سلول وارد می‌شود، فاصله بین صفحات تغییر می‌کند و در نتیجه ظرفیت خازنی نیز تغییر پیدا می‌کند. این تغییر می‌تواند به صورت الکتریکی اندازه‌گیری و تبدیل به نشانگری برای وزن اعمال شده شود.
لودسل محدود کننده مغناطیسی
این المان‌ها بر اساس خاصیت محدودکنندگی مغناطیسی کار می‌کنند. بر اساس این اصل تراوایی مواد فرومغناطیسی هنگامی که متحمل فشار می‌شوند، تغییر می‌کند. به عبارتی دیگر، هنگامی که یک ماده دارای خاصیت آهنربایی می شود، دچار فشار و کشش می شود که باعث تغییر طول یا به وجود آمدن گشتاور می‌شود. عکس این اصل نیز صادق می باشد. یعنی اگر کشش و فشار به یک ماده ی فرومغناطیس وارد شود، حالت مغناطیس آن تغییر پیدا می کند. سنسورهای محدودکننده مغناطیسی از این خاصیت برای احساس میزان انحرافی که در سنسور بر اثر فشار به وجود آمده استفاده می‌کنند و این انحراف می تواند به صورت یک مقدار دربیاید که نشان دهنده وزن شی یا میزان نیرویی که به سنسور اعمال شده می‌باشد.
استرین گیج یا کرنش سنج (Strain Gauges)
گیج های کششی (استرین گیج)، نوعی از سنسورها هستند که مقاومت الکتریکی‌شان با اعمال نیرو تغییر پیدا می‌کند. استرس (stress) اصطلاحی است که از آن برای توضیح نیروی مقاومتی داخلی که یک شی در واکنش با اعمال نیروی خارجی از خود نشان می‌دهد، استفاده می‌شود. در حالیکه کشش میزان تغییر حالت و جابه جایی یک شی در مواجهه با یک نیروی خارجی است. استرین گیج های معمولی دارای یک صفحه زیرین عایق می‌باشند که روی ان یک فویل فلزی به صورت زیگزاگ به چشم می خورد.
هنگامی که استرین گیج در معرض اعمال نیرو قرار می گیرد یا فشرده و یا کشیده می شود، فویل فلزی انحنا پیدا می کند و متعاقبا مقاومت الکتریکی فویل تغییر می‌کند. از تغییر در مقاومت الکتریکی می‌توان برای اندازه‌گیری میزان نیروی اعمال شده بر استرین گیج استفاده نمود. از یک شبکه پل الکتریکی به نام پل وتستون برای تبدیل تغییرات مقاومت الکتریکی به اختلاف پتانسیل استفاده می‌شود.
سنسور نیرو مقاومتی (Force Sensing Resistors) (FSRs)
مقاومت‌های حسگر نیرو یا سنسورهای پرینت شده نیرو از تکنولوژی پیزورزیستیو بهره می‌برند که شامل یک ماده نیمه‌هادی یا جوهر است که بین دو صفحه قرار گرفته و توسط یک قطعه از یکدیگر تا حدودی فاصله گرفته‌اند.
هنگامی که نیرو به المان اعمال می‌شود، یک فیلم هادی تغییر شکل پیدا می‌کند و به یک جوهر هدایتی فشرده می‌شود که روی صفحات قرار گرفته هنگامی که بخش بیشتری از فیلم در تماس با لایه ی پرینت شده هدایتی قرار می‌گیرد، مقاومت المان کاهش پیدا می‌کند و اگر هیچ نیرویی اعمال نشود، سنسور مقاومت خیلی بالایی ( در حد چند مگا اهم) خواهد داشت. مقاومت به صورت معکوس با افزایش فشار کاهش پیدا می‌کند. از آن جایی که هدایت الکتریکی معکوس مقاومت می باشد، FSR ها افزایش خطی در هدایت را با افزایش نیرو از خود نشان می‌دهند.
از سنسور نیروهای مقاومتی می‌توان برای تشخیص نرخ تغییرات نیروی وارده ، تشخیص اینکه نیرو از حد معینی تجاوز کرده و تشخیص لمس استفاده نمود.
همچنین سنسور های FSR می‌توانند برای تشخیص منبع نیرو یا به صورت آرایه برای تشخیص میزان انتشار نیرو در یک سطح (فشار) نیز مورد استفاده قرار بگیرند. این سنسورها باریک و قابل انعطاف هستند ودر انواع و اشکال مختلف در دسترس می باشند. همچنین دارای دوام زیاد، کم مصرف و ارزان قیمت می‌باشند.
بزرگترین نقص FSR ها؛ دقت کم آنها می باشد. همچنین اگر اندازه‌گیری تکرار شود، ممکن است نتایج به میزان 10 درصد با حتی بیشتر با یکدیگر اختلاف داشته باشند.
انواع دیگر سنسورهای نیرو
از سنسورهای دیگر نیرو می توان به سنسورهای نیروی نوری و سنسورهای نیروی اولتراسونیک اشاره کرد. سنسورهای نیروی اپتیکال از یک کابل فیبر اپتیک که دارای FBG (FiberBragg) می‌باشد، استفاده می‌کنند. هنگامی که کابل در معرض استرس یا کشش قرار می گیرد، فاصله‌ی بین FBG ها تغییر می‌کند و با بررسی بازتابش نورهایی که از کابل گذشته اند و درجه انحراف شان می توان به میزان نیرویی که به کابل وارد شده پی برد.
سنسورهای نیروی اولتراسونیک، از امواج فراصوت بهره می‌برند و اگر تغییری در پالس‌های فراصوت دریافتی رخ دهد، متوجه اعمال نیرو از منابع خارجی خواهند شد.
