במדידת לחץ, ייתכן שתבחין שתוצאות המדידה אינן משקפות מיד שינויים בלחץ הכניסה או מתאימות באופן מלא כאשר הלחץ חוזר למצבו ההתחלתי. לדוגמה, כאשר משתמשים במשקל אמבטיה למדידת משקל, החיישן של המשקל דורש זמן כדי לחוש במדויק ולייצב את קריאת המשקל שלך. הזמן תגובהשל החיישן מוביל לתנודות ראשוניות בנתונים. לאחר שהחיישן יתכוונן לעומס וישלים את עיבוד הנתונים, הקריאות יציגו תוצאות יציבות יותר.זה לא פגם של החיישן אלא מאפיין נורמלי של מכשירי מדידה אלקטרוניים רבים, במיוחד כאשר מדובר בעיבוד נתונים בזמן אמת והישגים במצב יציב. ניתן להתייחס לתופעה זו בשם היסטרזיס של חיישנים.
מהי היסטרזיס בחיישני לחץ?
חיישןהיסטרזיסמתבטא בדרך כלל כאשר יש שינוי בקלט (כגון טמפרטורה או לחץ), ואות הפלט אינו עוקב מיד אחר שינוי הקלט, או כאשר הקלט חוזר למצבו המקורי, אות הפלט אינו חוזר במלואו למצבו ההתחלתי . ניתן לראות תופעה זו על העקומה האופיינית של החיישן, שבה יש עקומה בצורת לולאה בפיגור בין קלט לפלט, ולא קו ישר. באופן ספציפי, אם תתחיל להגדיל את הקלט מערך מסוים מסוים, גם הפלט של החיישן יגדל בהתאם. עם זאת, כאשר הקלט מתחיל לרדת בחזרה לנקודה המקורית, תגלה שערכי הפלט גבוהים מערכי הפלט המקוריים במהלך תהליך ההפחתה, ויוצרים לולאה אולולאת היסטרזיס. זה מראה שבמהלך תהליך ההגדלה והירידה, אותו ערך קלט מתאים לשני ערכי פלט שונים, שהם התצוגה האינטואיטיבית של היסטרזיס.
התרשים מציג את הקשר בין הפלט ללחץ המופעל בחיישן לחץ במהלך תהליך הפעלת הלחץ, המיוצג בצורה של עקומת היסטרזיס. הציר האופקי מייצג פלט חיישן, והציר האנכי מייצג לחץ מופעל. העקומה האדומה מייצגת את התהליך שבו תפוקת החיישן גדלה עם עלייה הדרגתית בלחץ, ומראה את נתיב התגובה מלחץ נמוך לגבוה. העקומה הכחולה מציינת שככל שהלחץ המופעל מתחיל לרדת, גם תפוקת החיישן יורדת, מלחץ גבוה בחזרה לנמוך, מה שמתאר את תגובת החיישן במהלך פריקת הלחץ. השטח בין שתי העקומות, לולאת ההיסטרזיס, מציג את ההבדל בתפוקת החיישן באותה רמת לחץ במהלך טעינה ופריקה, הנגרם בדרך כלל על ידי התכונות הפיזיקליות והמבנה הפנימי של חומר החיישן.
סיבות להיסטרזיס לחץ
תופעת ההיסטרזיס בחיישני לחץמושפע בעיקר משני גורמים עיקריים, הקשורים קשר הדוק לתכונות הפיזיקליות ולמנגנון הפעולה של החיישן:
- היסטרזה אלסטית של החומר כל חומר יעבור מידה מסוימת של דפורמציה אלסטית כאשר הוא נתון לכוחות חיצוניים, תגובה ישירה של החומר לכוחות המופעלים. כאשר הכוח החיצוני מוסר, החומר מנסה לחזור למצבו המקורי. עם זאת, התאוששות זו אינה מלאה בשל חוסר האחידות במבנה הפנימי של החומר והשינויים הקלים הבלתי הפיכים במבנה המיקרו הפנימי במהלך טעינה ופריקה חוזרים ונשנים. זה גורם לפיגור בתפוקת ההתנהגות המכנית במהלך תהליכי טעינה ופריקה מתמשכים, הידועים בשםהיסטרזיס אלסטי. תופעה זו בולטת במיוחד ביישום שלחיישני לחץ, שכן חיישנים צריכים לעתים קרובות למדוד ולהגיב לשינויי לחץ בצורה מדויקת.
- חיכוך ברכיבים המכניים של חיישן לחץ, במיוחד אלה הכוללים חלקים נעים, חיכוך הוא בלתי נמנע. חיכוך זה עשוי לנבוע ממגעים בתוך החיישן, כגון נקודות מגע הזזה, מיסבים וכו'. כאשר החיישן נושא לחץ, נקודות חיכוך אלו עלולות להפריע לתנועה החופשית של המבנים המכניים הפנימיים של החיישן, ולגרום לעיכוב בין תגובת החיישן לבין לחץ בפועל. בעת פריקת הלחץ, אותם כוחות חיכוך עשויים גם למנוע את עצירת המבנים הפנימיים באופן מיידי, ובכך להפגין היסטרזיס גם בשלב הפריקה.
שני גורמים אלו יחדיו מובילים ללולאת ההיסטרזיס הנצפית בחיישנים במהלך בדיקות טעינה ופריקה חוזרות, מאפיין שלעיתים מעורר דאגה מיוחדת ביישומים בהם דיוק וחזרה נדרשים מאוד. כדי להפחית את ההשפעה של תופעת ההיסטרזיס הזו, תכנון קפדני ובחירת חומר לחיישן הם חיוניים, וייתכן שיהיה צורך גם באלגוריתמי תוכנה כדי לפצות על ההיסטרזיס הזה ביישומים.
תופעת ההיסטרזיס בחיישני לחץמושפע מגורמים שונים הקשורים ישירות לתכונות הפיזיקליות והכימיות של החיישן ולסביבת הפעולה שלו.
אילו גורמים מובילים להיסטרזיס של חיישנים?
1. תכונות החומר
- מודול אלסטי: מודול האלסטי של החומר קובע את מידת העיוות האלסטי כאשר הוא נתון לכוח. חומרים עם מודול אלסטי גבוה יותר מעוות פחות, והןהיסטרזיס אלסטיעשוי להיות נמוך יחסית.
- יחס פואסון: יחס פואסון מתאר את היחס בין התכווצות לרוחב להתארכות אורכית בחומר כשהוא נתון לכוח, מה שמשפיע גם על התנהגות החומר בזמן העמסה ופריקה.
- מבנה פנימי: מבנה המיקרו של החומר, כולל מבנה גבישי, פגמים ותכלילים, משפיע על התנהגותו המכנית ומאפייני ההיסטרזיס שלו.
2. תהליך ייצור
- דיוק עיבוד: הדיוק של עיבוד רכיבי החיישן משפיע ישירות על הביצועים שלו. רכיבים בעלי דיוק גבוה יותר מתאימים יותר, ומפחיתים חיכוך נוסף וריכוז מתח הנגרמים מהתאמה לקויה.
- חספוס פני השטח: איכות טיפול פני השטח, כגון חספוס פני השטח, משפיעה על גודל החיכוך, ובכך משפיעה על מהירות התגובה וההיסטרזה של החיישן.
- שינויי טמפרטורה משפיעים על התכונות הפיזיקליות של חומרים, כגון מודול האלסטי ומקדם החיכוך. טמפרטורות גבוהות בדרך כלל הופכות חומרים לרכים יותר, מפחיתות את מודול האלסטי ומגבירות את החיכוך, ובכך מגבירה את ההיסטרזיס. לעומת זאת, טמפרטורות נמוכות עשויות להפוך חומרים לקשים יותר ושבירים יותר, ולהשפיע על ההיסטרזיס בדרכים שונות.
3. טמפרטורה
- שינויי טמפרטורה משפיעים על התכונות הפיזיקליות של חומרים, כגון מודול האלסטי ומקדם החיכוך. טמפרטורות גבוהות בדרך כלל הופכות חומרים לרכים יותר, מפחיתות את מודול האלסטי ומגבירות את החיכוך, ובכך מגבירה את ההיסטרזיס. לעומת זאת, טמפרטורות נמוכות עשויות להפוך חומרים לקשים יותר ושבירים יותר, ולהשפיע על ההיסטרזיס בדרכים שונות.
סיכונים
נוכחות של היסטרזיס בחיישני לחץעלול לגרום לשגיאות מדידה, להשפיע על הדיוק והאמינות של החיישן. ביישומים הדורשים מדידות דיוק גבוה, כגון בקרת תהליכים תעשייתיים מדויקים וניטור ציוד רפואי קריטי, היסטרזה עלולה להוביל לשגיאות מדידה משמעותיות ואף לגרום לכשל של מערכת המדידה כולה. לכן, הבנה וצמצום השפעת ההיסטרזיס היא חלק מרכזי בהבטחת הפעולה היעילה והמדויקת שלחיישני לחץ.
פתרונות להיסטרזה בחיישני לחץ:
כדי להבטיח את השפעות ההיסטרזיס הנמוכות ביותר האפשריותחיישני לחץ, יצרנים נקטו במספר צעדים מרכזיים כדי לייעל את ביצועי החיישן:
- בחירת חומרים: לבחירת החומרים יש תפקיד מכריע בהיסטרזיס. לכן, יצרנים בוחרים בקפידה חומרי ליבה המשמשים בבניית חיישנים, כגון דיאפרגמות, אטמים ונוזלי מילוי, כדי להבטיח שהם מציגים היסטרזיס מינימלי בתנאי עבודה שונים.
- אופטימיזציה של עיצוב: על ידי שיפור התכנון המבני של חיישנים, כגון צורה, גודל ועובי דיאפרגמות, ואופטימיזציה של שיטות האיטום, היצרנים יכולים להפחית ביעילות את ההיסטרזיס הנגרמת מחיכוך, חיכוך סטטי ועיוות חומר.
- טיפול הזדקנות: חיישנים שיוצרו לאחרונה עשויים להפגין היסטרזיס ראשוני משמעותי. בְּאֶמצָעוּתטיפול הזדקנותותוכניות בדיקה ספציפיות, ניתן להאיץ חומרים לייצוב ולהסתגל, ובכך להפחית את ההיסטרזיס הראשוני הזה. התמונה למטה מציגה אתXDB305עוברטיפול הזדקנות.
- בקרת ייצור קפדנית: על ידי שליטה קפדנית בסובלנות ובאיכות במהלך תהליך הייצור, היצרנים מבטיחים את העקביות של כל חיישן וממזערים את ההשפעה של וריאציות ייצור על ההיסטרזיס.
- כיול ופיצוי מתקדמים: חלק מהיצרנים משתמשים בטכנולוגיית פיצוי דיגיטלית מתקדמת ובשיטות כיול רב-נקודתיות כדי לדגמן ולתקן במדויק את ההיסטרזיס ביציאות החיישנים.
- בדיקת ביצועים ודירוג: כל החיישנים עוברים בדיקות מפורטות כדי להעריך את מאפייני ההיסטרזיס שלהם. בהתבסס על תוצאות הבדיקה, חיישנים מדורגים כדי להבטיח שרק מוצרים העומדים בתקני היסטרזיס ספציפיים יוצאים לשוק.
- בדיקת חיים מואצת: כדי לאמת את יציבות הביצועים של חיישנים לאורך אורך החיים הצפוי שלהם, יצרנים עורכים בדיקות הזדקנות מואצות ובדיקות חיים על דגימות כדי להבטיח שההיסטרזיס נשאר בגבולות המקובלים.
אמצעים מקיפים אלה עוזרים ליצרנים לשלוט ביעילות ולהפחית את תופעת ההיסטרזיס בחיישני לחץ, להבטיח שהחיישנים עומדים בדרישות דיוק ואמינות גבוהות ביישומים בפועל.
זמן פרסום: מאי-09-2024