مستشعر الإزاحة السعوي

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
مستشعر سعوي صناعي

مستشعرات الإزاحة السعوية هي نوع من مستشعرات الإزاحة غير التلامسية ، تقيس موضع المادة السعوية وتغيراته بدقة عالية. [ 1 ] كما أنها قادرة على قياس سمك أو كثافة المواد غير الموصلة . [ 2 ] تُستخدم مستشعرات الإزاحة السعوية في تطبيقات متنوعة، تشمل معالجة أشباه الموصلات ، وتجميع المعدات الدقيقة مثل محركات الأقراص ، وقياسات السمك الدقيقة، وقياسات أدوات الآلات ، واختبار خطوط التجميع . وتوجد هذه الأنواع من المستشعرات في مرافق التصنيع والتشغيل الآلي حول العالم.

النظرية الأساسية للسعة

لوحان موصلان متوازيان متطابقان مساحتهماأ{\displaystyle A}يفصل بينهما مسافةد{\displaystyle d}سيكون له سعةج{\displaystyle C}ل:

ج=ε0εرأد{\displaystyle C={\dfrac {\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}A}{d}}}[ 3 ]

أينε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}ثابت سماحية الفراغ وεر{\displaystyle \varepsilon _{r}}هي السماحية النسبية (وتسمى أيضًا ثابت العزل الكهربائي) للمادة الموجودة في الفجوة.

يوجد نوعان رئيسيان من أنظمة استشعار الإزاحة السعوية. يُستخدم أحدهما لقياس سماكة المواد الموصلة، بينما يُستخدم الآخر لقياس سماكة المواد غير الموصلة أو مستوى السوائل.

يستخدم نظام الاستشعار السعوي للمواد الموصلة نموذجًا مشابهًا للنموذج الموصوف أعلاه، ولكن بدلًا من إحدى الصفائح الموصلة يوجد المستشعر ، وبدلًا من الأخرى يوجد الهدف الموصل المراد قياسه. وبما أن مساحة المجس والهدف تظل ثابتة، وكذلك ثابت العزل الكهربائي للمادة الموجودة في الفجوة (عادةً الهواء)، فإن "أي تغيير في السعة الكهربائية ينتج عن تغيير في المسافة بين المجس والهدف". [ 4 ] لذلك، يمكن تبسيط المعادلة أعلاه إلى:

ج∝1د{\displaystyle C\propto {\dfrac {1}{d}}}

حيث تشير α إلى علاقة تناسبية. وبفضل هذه العلاقة التناسبية، يستطيع نظام الاستشعار السعوي قياس التغيرات في السعة الكهربائية وتحويل هذه التغيرات إلى قياسات للمسافة.

يمكن تشبيه عمل المستشعر المستخدم لقياس سمك المواد غير الموصلة بمكثفين موصولين على التوالي، لكل منهما عازل مختلف (وثابت عزل مختلف). يبقى مجموع سمك المادتين العازلتين ثابتًا، لكن سمك كل منهما قد يختلف. يؤدي سمك المادة المراد قياسها إلى إزاحة العازل الآخر. غالبًا ما تكون الفجوة بينهما فجوة هوائية.εر{\displaystyle \varepsilon _{r}}≈1) وتمتلك المادة ثابت عزل كهربائي أعلى. ومع ازدياد سمك المادة، تزداد السعة الكهربائية ويستشعرها النظام.

يعمل مستشعر قياس مستويات السوائل على شكل مكثفين متوازيين بمساحة إجمالية ثابتة. ويؤدي اختلاف ثابت العزل الكهربائي للسائل عن ثابت العزل الكهربائي للهواء إلى تغيرات ملحوظة في السعة بين المجسات أو الألواح الموصلة.

التطبيقات

تحديد المواقع بدقة

يُعدّ تحديد المواقع بدقة أحد أكثر تطبيقات المستشعرات السعوية شيوعًا. إذ يُمكن استخدام مستشعرات الإزاحة السعوية لقياس مواقع الأجسام بدقة تصل إلى مستوى النانومتر . ويُستخدم هذا النوع من تحديد المواقع الدقيق في صناعة أشباه الموصلات، حيث تتطلب رقائق السيليكون تحديد مواقعها بدقة قبل تعريضها للضوء. كما تُستخدم المستشعرات السعوية أيضًا لضبط بؤرة المجاهر الإلكترونية المستخدمة في اختبار وفحص الرقائق.

صناعة محركات الأقراص

في صناعة محركات الأقراص، تُستخدم مستشعرات الإزاحة السعوية لقياس انحراف محور الدوران (مقياس لمدى انحراف محور الدوران عن خط ثابت مثالي) لمحاور محركات الأقراص . بمعرفة الانحراف الدقيق لهذه المحاور، يتمكن مصنّعو محركات الأقراص من تحديد الحد الأقصى لكمية البيانات التي يمكن تخزينها على هذه المحركات. كما تُستخدم المستشعرات السعوية لضمان تعامد أسطوانات محرك الأقراص مع محور الدوران قبل كتابة البيانات عليها.

قياسات دقيقة للسمك

يمكن استخدام مستشعرات الإزاحة السعوية لإجراء قياسات دقيقة للغاية للسمك. تعمل هذه المستشعرات عن طريق قياس التغيرات في الموضع. عند قياس موضع جزء مرجعي ذي سمك معروف، يمكن قياس أجزاء أخرى لاحقًا، واستخدام الفروقات في المواضع لتحديد سمك هذه الأجزاء. [ 5 ] لكي تكون هذه الطريقة فعالة باستخدام مسبار واحد، يجب أن تكون الأجزاء مسطحة تمامًا وأن تُقاس على سطح مستوٍ تمامًا. إذا كان الجزء المراد قياسه به أي انحناء أو تشوه ، أو لم يكن مستقرًا بشكل جيد على السطح المستوي، فسيتم تضمين المسافة بين الجزء المراد قياسه والسطح الذي يوضع عليه في قياس السمك بشكل خاطئ. يمكن التخلص من هذا الخطأ باستخدام مستشعرين سعويين لقياس جزء واحد. يوضع المستشعران السعويان على جانبي الجزء المراد قياسه. بقياس الأجزاء من كلا الجانبين، يُؤخذ الانحناء والتشوهات في الاعتبار أثناء القياس، ولا تُدرج آثارها في قراءات السمك.

يمكن قياس سُمك المواد البلاستيكية بوضعها بين قطبين كهربائيين يفصل بينهما مسافة محددة، مما يُشكل نوعًا من المكثفات. يعمل البلاستيك، عند وضعه بين القطبين، كعازل كهربائي، فيُزيح الهواء (الذي يتميز بثابت عزل كهربائي يساوي 1، وهو مختلف عن ثابت عزل البلاستيك). ونتيجةً لذلك، تتغير السعة الكهربائية بين القطبين. ويمكن قياس هذه التغيرات في السعة الكهربائية وربطها بسُمك المادة. [ 6 ]

يمكن إنشاء دوائر استشعار سعوية قادرة على اكتشاف التغيرات في السعة في حدود 10⁻⁵ بيكوفاراد ( 10 أتوفاراد).

أهداف غير موصلة

على الرغم من أن مستشعرات الإزاحة السعوية تُستخدم غالبًا لاستشعار تغيرات موضع الأهداف الموصلة، إلا أنه يمكن استخدامها أيضًا لاستشعار سُمك و/أو كثافة الأهداف غير الموصلة. [ 4 ] يتميز الجسم غير الموصل الموضوع بين المجس والهدف الموصل بثابت عزل كهربائي مختلف عن الهواء في الفجوة، وبالتالي يُغير السعة الكهربائية بين المجس والهدف. (انظر المعادلة الأولى أعلاه). من خلال تحليل هذا التغير في السعة، يمكن تحديد سُمك وكثافة الجسم غير الموصل.

قياسات أدوات الآلات

تُستخدم مستشعرات الإزاحة السعوية بكثرة في تطبيقات القياس. في كثير من الحالات، تُستخدم هذه المستشعرات لقياس أخطاء الشكل في القطعة المُصنّعة، كما يمكنها أيضًا قياس الأخطاء الناجمة عن المعدات المستخدمة في تصنيعها، وهي ممارسة تُعرف باسم قياس أدوات الآلات. [ 7 ] في كثير من الأحيان، تُستخدم هذه المستشعرات لتحليل وتحسين دوران المغازل في مختلف أدوات الآلات، مثل آلات التجليخ السطحي ، والمخارط ، وآلات التفريز ، ومغازل المحامل الهوائية . [ 8 ] من خلال قياس الأخطاء في الآلات نفسها، بدلاً من قياسها في المنتجات النهائية فقط، يُمكن معالجة المشكلات وإصلاحها في مراحل مبكرة من عملية التصنيع.

اختبار خط التجميع

تُستخدم مستشعرات الإزاحة السعوية بكثرة في اختبارات خطوط التجميع. تُستخدم أحيانًا لاختبار الأجزاء المُجمّعة للتأكد من تجانسها وسماكتها وغيرها من خصائص التصميم. وفي أحيان أخرى، تُستخدم ببساطة للكشف عن وجود أو عدم وجود مُكوّن مُعيّن، مثل المادة اللاصقة . [ 9 ] يُساعد استخدام المستشعرات السعوية لاختبار أجزاء خط التجميع على تجنّب مشاكل الجودة في مراحل لاحقة من عملية الإنتاج.

مقارنة بمستشعرات الإزاحة بالتيارات الدوامية

تتشابه مستشعرات الإزاحة السعوية في كثير من الجوانب مع مستشعرات الإزاحة التي تعمل بالتيارات الدوامية (أو الحثية)؛ إلا أن المستشعرات السعوية تستخدم مجالًا كهربائيًا بدلًا من المجال المغناطيسي الذي تستخدمه مستشعرات التيارات الدوامية [ 10 ] [ 11 ]. ويؤدي هذا إلى اختلافات عديدة بين تقنيتي الاستشعار، أبرزها أن المستشعرات السعوية قادرة عمومًا على إجراء قياسات بدقة أعلى، وأن مستشعرات التيارات الدوامية تعمل في البيئات الملوثة بينما لا تعمل المستشعرات السعوية في هذه البيئات. [ 10 ]

تطبيقات أخرى للاستشعار السعوي غير الإزاحي

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ نظرة عامة على مستشعر السعة من شركة Lion Precision مؤرشفة بتاريخ 22-12-2009 في Wayback Machine ، نظرة عامة على تقنية الاستشعار السعوي من شركة Lion Precision.
  2. ↑ جون س. ويلسون (2005). دليل تكنولوجيا أجهزة الاستشعار . نيونس. ص  94. ISBN 0-7506-7729-5.
  3. ↑ بول ألين تيبلر (1982). الفيزياء، الطبعة الثانية . دار نشر وورث. الصفحات 653-660 . ISBN  0-87901-135-1.
  4. 1 2 تشغيل المستشعر السعوي وتحسينه كيف تعمل المستشعرات السعوية وكيفية استخدامها بفعالية مؤرشف في 2015-12-02 في Wayback Machine ، مناقشة متعمقة لنظرية المستشعر السعوي من Lion Precision.
  5. ↑ قياسات سمك السعة ، دليل تعليمي حول قياسات سمك السعة.
  6. ↑ مقياس سمك الفيلم
  7. ↑ مختبر لورانس ليفرمور الوطني: هندسة الدقة في مشاريع المختبر ، أمثلة على التقدم الذي أحرزه مختبر لورانس ليفرمور الوطني في مجال القياس الدقيق.
  8. ↑ إريك ر. مارش (2009). قياسات المغزل الدقيقة . دار نشر ديستيك. رقم ISBN 978-1-60595-003-7.
  9. ↑ استشعار الغراء على الورق مؤرشف في 2010-07-09 في Wayback Machine ، وهو برنامج تعليمي حول استخدام أجهزة الاستشعار السعوية لاستشعار الغراء.
  10. مقارنة التيار الدوامي السعوي من شركة Lion Precision ، مقارنة بين تقنية الاستشعار السعوي وتقنية استشعار التيار الدوامي من شركة Lion Precision.
  11. ↑ دليل المستخدم لأجهزة استشعار السعة من سيمنز، صفحة 54