اجزای سیستم های اندازه گیری-1فصل تعاریف مهم در چیستی سیستم های اندازه گیری-1-1

مجموع��ه ادواتی ک��ه ب��رای جم��ع آوری)(:Instrumentationسیس##تم ان##دازه گ##یری)recording(مش��اهده ،)indicating(ی��ا ان��دازه گ��یری )measuring(کمیت ه��ای ف��یزیکی)physical quantities.بکار می روند )

ابزاری که تغییرات کمیت فیزیکی مشخصی را به کمیتی قابل ان��دازه(:Sensorحسگر)گیری )معموالً سیگنال الکتریکی( تبدیل می کند.

اجزای اصلی یک سیستم اندازه گیری-1-2

پارامترها و مشخصه های عمومی حسگرها-1-3Scaleضريب تناسب) -1 Factor:)مقدار نسبت سيگنال خروجي به م��يزان تحري��ك

ورودي را حساسيت مي نامند. حساسيت به عامل اصلي كه حسگر براي ان��دازه گ��يري آن ساخته شده بستگي دارد و هرچ��ه بيش��تر باش��د، به��تر اس��ت. در مقاب��ل هرچ��ه حساس��يتحسگر به عوامل محيطي ديگر مثل دما، رطوبت و... كمترباشد، حسگر دقيقتر خواهد بود.

حداقل مقدار تغییرات كميت قابل اندازه گيري توسط حس��گر(:Resolution- وضوح)2 را وضوح مي نامند. يکي از مهمترين معيار هاي بررس��ي ه��ر ن��وع سنس��ور ح��داقل مق��دار قابل اندازه گيري کميت هدف توسط حسگر است . براي ي��افتن مق��دار تقري��بي از وض��وح الزم است عوامل خطاي موجود در هر نوع حس��گري ب��ه دقت مش��خص ش��وند . ب��ه همين منظور عوامل خطا را بايد با دقت دسته بندي نمود و روابط تئوري حاکم بر ه��ر ن��وع خط��ا را استخراج نمود. نکته ديگر در بررسي وضوح اين است ک��ه در حين ط��راحي پارامتره��اي

مجموعه ، اثر جبران سازهاي مختلف در طراحي در نظر گرفته نمي شود. کم��ترین مق��داری ک��ه(:# Zero- حداقل مقدار قابل اندازه گیری در حسگرها)3

حسگر می تواند اندازه گیری کند. بيشترين مقداري(:Full Scale Range- حداكثر مقدار كميت قابل اندازه گيري)4

از کميتي خاص)مثل شتاب براي شتاب سنج( که يک حسگر مي تواند اندازه گيري نمايد را حداكثر مقدار كميت قابل ان�دازه گ�يري مي نامن�د. هرچ�ه مق�دار اين کميت بيش�تر باش��د

سنسور كاراتر بوده و كاربرد گسترده تري خواهد داشت. تفاضل بیش��ترین و کم��ترین مق��دار قاب��ل(:# Range- دامنه اندازه گیری حسگر)5

اندازه گیری حسگر را می نامند.Dynamic رنج ديناميكي) -6 Range:)نسبت وضوح به ح��داكثر مق��دار ورودي قاب��ل

اندازه گيري را رنج ديناميكي مي نامند. م��یزان اختالف در ان��دازه گ��یری ی��ک کمیت ث��ابت در دفع��ات(:## Precision- دقت )12

مختلف را می نامند. اختالف مق��دار واقعی کمیت ف��یزیکی و مق��دار ان��دازه گ�یری(:Accuracy- صحت )13

شده را می نامند.

2

اندازه گیری یک کمیت یکس��ان اس��تاندارد در زم��ان(:Repeatability- تکرارپذیری)22های متفاوت با حفظ شرایط و حسگر

اندازه گیری یک کمیت یکسان ب��ا حس��گرهای(:Reproducibility- بازتولیدپذیری )23متفاوت )از یک نوع معموالً( یا روش ها یا شرایط متفاوت

م��يزان مق��اومت ش��تاب س��نج در(:## Strength- دوام ، استحکام و ط##ول عم##ر)9 مقابل بارهاي ضربه اي، باره��اي نوس��اني و پدي��ده ه��ايي مث��ل کم��انش، چس��بندگي درحين فرآيند ساخت، ولتاژ در خازن ه��ا و... ک��ه ب��اعث مي ش��ود اختالل کلي در عملک��رد ش��تاب سنج ايجاد شود يا اينکه به طور کلي شتاب سنج دچار شکست شود، استحکام ي��ا پاي��داري

شتاب سنج ناميده مي شوند.Power- توان مصرفي)10 consumption:)مقدار انرژي الزم كه حس��گر ني��از دارد ت��ا

بتواند به خوبي عمل كند را توان مصرفي آن مي نامند. توان مصرفي كم مي تواند عاملي براي كاهش ابعاد و گسترش حوزه كاربرد هر حسگري باشد. حسگرهای ک��ه نی��از ب��ه منب��ع

( می نامند.Passiveخارجی انرژی ندارند را غیرفعال) زمان الزم برای شروع به کار حسگر پس از(:# Warm up time-تاخیر شروع کار )20

روشن شدن. براي اينکه حسگر بتواند ورودي با فرکانس هاي مختلف(:Band width- پهناي باند)7

را با يک بهره معين و ثابت به خروجي تحويل دهد نياز دارد که پاسخ فرکانسي و فاز آن ت��ا شتاب راHz 50يک حد مورد نياز ثابت باقي بمانند. يعني اگر الزم است حسگر تا فرکانس

اندازه گيري کند بايد مقدار فاز و دامنه فرکانس خروجي حسگر در اين محدوده ثابت باقي بماند. هرچه مقدار فاز به عدد صفر نزدي��ک ت��ر باش��د و مق��دار دامن��ه بزرگ��تر باش��د رفت��ار حسگر مطلوب تر مي باشد. پهناي بان��د از جنب��ه ديگ��ر ن��يز داراي اهمي���ت اس��ت و آن اين

است که هرچه پهناي باند سيستم بيشتر باشد پاسخ سيستم سريعتر است. زمان الزم برای اینکه حسگر(:# Response Time- خطای دینامیکی یا زمان پاسخ)8

پس از قرار گرفتن در معرض کمیت فیزیکی به مقدار پاسخ حالت دائم خود برسد. حسگرها را از نظر دینامیک به سه دسته مرتبه صفر و مرتب��ه ی��ک و مرتب��ه دو تقس��یم

می کنند.

3

نسبت سيگنال خروجي حسگر(:Signal to Noise Ratio- نسبت سيگنال به نويز)11به سيگنال توليد شده توسط عوامل نويزي را نسبت سيگنال به نويز مي نامند.

م��یزان تغی��یرات خ��روجی(:## Sensitivity- حساسیت ب##ه ورودی ه##ای م##زاحم)14حسگر به ازای تغییرات کمیت فیزیکی که مورد اندازه گیری حسگر نیست.

Nonlinear- خطاه##ای غ##یرخطی)15 error:)خط��ای ناش��ی از تغی��یرات عوام��ل غیرخطی در ارتباط بین ورودی و خروجی حسگر را می نامند.

خط��ای ناش��ی از اتالف ان��رژی در س��اختار(:## Hysteresis- خط##ای هس##ترزیس)16

حسگر که باعث ایجاد رفتارچرخه ای در ارتباط میان ورودی و خروجی حسگر می شود رامی نامند.

خطای مقدار صفر ورودی(:Bias Error, Offset Error- خطای بایاس یا افست)17در خروجی را می نامند.

مطابق شکل هرگونه خطایی که موجب ایجاد(:# Dead Zone- خطای ناحیه مرده)19یک ناحیه بدون پاسخ در حسگر شود را می نامند. مثل لقی در چرخ دنده ها.

: عدم تغییرات پارامتر حسگر در مدت زمان مش��خص(Stability- پايداري قطعه)21را گویند.

تغییرات هر یک از پارامترها دربازه زمان را لغزش می نامند.(: Drift- لغزش)8

4

انواع حسگرها برحسب کمیت فیزیکی که اندازه-2فصل گیری می کنند

برمبنای المان حساس و آشکارساز آنها

حسگرهای مکانیکی-2-1 حرکت خطی و زاویه ای محدود-2-1-1

(potentiometerپتانسیومتر)-2-1-1-1

(Variable capacitance transducersح)-2-1-1-2

5

(Variable inductance transducersمبدل ضریب خودالقایی متغیر )-2-1-1-3

An inductor’s inductance is related to the magnetic permeability of the core material )μ(, thenumber of turns in the wire coil )N(, the cross-sectional area of the coil )A(, and the length of the coil )l(:200000 relative magnetic permeability of ironμ0 = 4π × 10−7 H/m

Linear variable differentialترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی )-2-1-1-4transformer)

6

(Inductive sensorsحسگر مغناطیسی القایی)-2-1-1-5

(Variable Reluctance Transducerمبدل ضریب مقاومت مغناطیسی متغیر)-2-1-1-6

7

2-1-1-7-Resolverنوعی ژنراتور است

(Hall-effect sensingاثر هال )-2-1-1-8

8

(eddy currentجریان ادی)-2-1-1-9

(Laser interferometerح)-2-1-1-102-1-1-11-Incremental shaft encoders

photoresistor (or light-dependent resistor, LDR, or photo-conductive cell)Cadmium sulfide

نیمه هادی

9

فاصله یاب آکوستیک)(:-2-1-2

فاصله یاب لیزری)(:-2-1-3

1

(:Global Positioning Systemsموقعیت یاب جهانی)-2-1-4 بعدی و ی��افتن۲ ماهواره برای محاسبه ۳گیرنده به دریافت اطالعات هم زمان از حداقل

م��اهواره ب��رای ی��افتن۴طول و ع��رض جغرافی��ایی، و همچ��نین دری��افت اطالع��ات ح��داقل مختصات سه بعدی نیازمند است. با ادامه دریافت اطالعات از ماهواره ها گیرنده اقدام ب��ه محاس��به س��رعت، جهت، مس��یرپیموده ش��ده، فواص��ل طی ش��ده، فاص��له ب��اقی مان��ده ت��ا

مقصد، زمان طلوع و غروب خورشید و بسیاری اطالعات مفید دیگر، می نماید. ه��زار مای��ل از س��طح دری��ا گ��ردش۲۴۰۰۰عدد ماهواره جی پی اس در مدارهایی بفاصله

س��اعت ی��ک دور کام��ل ب��دور زمین می گ��ردد. س��رعت۱۲می کنند. هر ماهواره دقیق��اً طی مایل بر ساعت است. این ماهواره ها نیروی خود را از خورشید تأمین می کنند.۷۰۰۰هریک

همچنین باتری هایی نیز برای زمانه��ای خورش��ید گ��رفتگی و ی��ا م��واقعی ک��ه در س��ایه زمین حرکت می کنند به همراه دارند. راکته�ای ک�وچکی ن�یز ماهواره ه�ا را در مس�یر ص�حیح نگ��اه

نیز گفته می شود.NAVSTARمی دارد. به این ماهواره ها

1

در اینجا به برخی مشخصه های جالب این سیستم اشاره می کنیم: سال پیش در مدار زمین ق��رار۳۵ یعنی حدود ۱۹۷۸* اولین ماهواره جی پی اس در سال

گرفت. تکمیل گردید.NAVSTAR عددی ۲۴ شبکه ۱۹۹۴* در سال

سال است که پس از آن جایگزین می گردد.۱۰* عمر هر ماهواره حدود م��تر۵.۵ کیلوگرم وزن دارد و طول باتری ه��ای خورش��یدی آن ۱۰۰۰* هر ماهواره حدود

است. وات است.۵۰* انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از

سرعت سنج رادار داپلر)(:-2-1-5

شتاب سنج)(:-2-1-6ژیرسکوپ)(:-2-1-7کرنش سنج)( و نیروسنج)(و گشتاور سنج)(:-2-1-8

1

1

1

1

پیزومقاومت)(-2-1-9

پیزوالکتریک)(-2-1-10

1

1

حسگرهای حراررتی-2-2دماسنج-2-2-1

(Bi-metalدماسنج دوفلزی)-2-2-1-1

1

(Filled-bulb temperature sensorsسنسور دمای حبابی پرشده)-2-2-1-2

1

(Resistance Temperature Detectorsسنسور دمای مقاومتی)-2-2-1-3

2

(Thermistorsترمیستور)-2-2-1-4مواد اکسید فلزی تغییرات مقاومت با دما

2

(Semicundoctor temperature sensorحسگرهای دمای نیمه هادی)-2-2-1-5

دیود و ترانزیستور خروجی ولتاژ یا جریان

2

(Thermocoupleترموکوپل)-2-2-1-6

2

(Non-contact temperature sensorsحسگرهای دمای غیرتماسی)-2-2-1-7

2

2

2

Temperature sensorنحوه اتصال و لوازم جانبی حسگر حرارتی)-2-2-1-8accessories)

One of the most important accessories for any temperature-sensing element is a pressure-tight sheathknown as a thermowell.

2

انواع غیر رایج حسگرهای دما-2-2-1-9حسگرهای رنگی

حسگرهای آکوستیک دما

حسگرهای کوارتز(pyrometersحسگر پیرومتر)

instrument to measuring temperatures above 600Cunder these conditions thefilament apparently disappears when viewed against the background of the hot body.Temperature measurement is therefore obtained in terms of the current flowing in thefilament. As the brightness of different materials at any particular temperature variesaccording to the emissivity of the material, the calibration of the optical pyrometer must

be adjusted according to the emissivity of the target.

حسگر فیبر نوری

2

حسگرهای کمیت سیال-2-3سرعت سنج )سیاالت(-2-3-1فشارسنج-2-3-2

Absolute pressure: This is the difference between the pressure of the fluid and theabsolute zero of pressure.Gauge pressure: This describes the difference between the pressure of the fluid andatmospheric pressure. Absolute and gauge pressures are therefore related by thefollowing expression:Differential pressure: This term is used to describe the difference between two absolutepressure values, such as the pressures at two different points within the same fluid )oftenbetween the two sides of a flow restrictor in a system measuring volume flow rate(.

)a( or )abs( indicates absolute pressure, )g( indicates gauge pressure,and )d( specifies differential pressure

typical values of pressure measured range from 1.013 bar )the mean atmospheric pressure( up to 7000 bar

(Manometersمانومتر)-2-3-2-1

2

(Mechanical pressure elementsمکانیکی)-2-3-2-2

The diaphragm can be either plastic, metal alloy, stainless steel, or ceramic. Plastic diaphragms are cheapest, but metal diaphragms give better accuracy. Stainless steel is normally used in high-temperature or corrosive environments. Ceramic diaphragms are resistant even to strong acids and alkalis and are used when the operating environment is particularly harsh. The name aneroid gauge is sometimes used to describe this type of gauge when the diaphragm is metallic.The typical magnitude of diaphragm displacement is 0.1 mm, which is well suited to a

3

strain-gauge type of displacement-measuring transducer, although other forms ofdisplacement measurement are also used in some kinds of diaphragm-based sensors. If thedisplacement is measured with strain gauges, it is normal to use four strain gaugesarranged in a bridge circuit configuration. The output voltage from the bridge is a functionof the resistance change due to the strain in the diaphragm. This arrangementautomatically provides compensation for environmental temperature changes. Olderpressure transducers of this type used metallic strain gauges bonded to a diaphragmtypically made of stainless steel. However, there are associated manufacturing difficultieswith these because when the diaphragm bends, the strain gauge and diaphragm have aslightly different radius. This puts a lot of stress on the adhesive used to fasten the straingauge to the diaphragm, and the bond frequently breaks down. Metallic strain gauges alsohave a low gauge factor, which means that the low output from the strain gauge bridge hasto be amplified by an expensive DC amplifier. The development of semiconductor)piezoresistive( strain gauges provided a solution to the low-output problem, as they havegauge factors up to 100 times greater than metallic gauges. However, the difficulty ofbonding gauges to the diaphragm remained and a new problem emerged regarding thehighly nonlinear characteristic of the straineoutput relationship.The problem of strain-gauge bonding was solved with the emergence of monolithicpiezoresistive pressure transducers. These have a typical measurement uncertainty of_0.5% and are now the most commonly used type of diaphragm pressure transducer. Themonolithic cell consists of a diaphragm made of a silicon sheet into which resistors arediffused during the manufacturing process. Such pressure transducers can be made to bevery small and are often known as MEMS sensors or microsensors )see Section 15.10 formore details(. Besides avoiding the difficulty with bonding, monolithic silicon measuringcells have the advantage of being very cheap to manufacture in large quantities. Althoughthe inconvenience of a nonlinear characteristic remains, this is normally overcome byprocessing the output signal with an active linearization circuit or incorporating the cell

A capacitive pressure sensor is simply a diaphragm-type device in which the diaphragmdisplacement is determined by measuring the capacitance change between the diaphragmand a metal plate that is close to it. Such devices are in common use and are sometimesknown as Baratron gauges. It is also possible to fabricate capacitive elements in a siliconchip and thus form very small microsensors. These have a typical measurement

uncertainty of _0.2%.

3

advances in electronics mean that the high-sensitivity requirement can usually be satisfiednow by diaphragm-type devices, and usage of bellows is therefore falling

3

3

(Resonant element sensorsسنسور تار مرتعش)-2-3-2-3دبی سنج-2-3-3ارتفاع سنج مخزن-2-3-4

(Float Systemsفلوت)-2-3-4-1

3

فشار هیدرواستاتیک-2-3-4-2

ظرفیت خازن:-2-3-4-3

3

رادار و مافوق صوت-2-3-4-4

3

حسگر شدت نور-2-4حسگرهای شیمیایی-2-5حسگرهای بیولوژیک-2-6حسگرهای الکترومغناطیسی-2-7قطب نما-2-7-1رادار-2-7-2

3

مدارات واسط)قرائت(-3فصل مدارات قرائت مقاومتی الکتریکی-3-1منبع جريانی-3-1-1تقسيم مقاومتی-3-1-2پل وتستون-3-1-3

مدارات قرائت امپدانسی-3-2سنسور خازنی-3-2-1مدارات اندازه گيری امپدانس-3-2-2 LVDTمدارات-3-2-3

مدارات قرائت جريان الکتریکی-3-3آشکارسازهای نوری-3-3-1 AC و DCجريان -3-3-2

مدارات الکترومتر و سنجش بار-3-4مدارات قرائت ولتاژ-3-5ترموکوپل-3-5-1

مدارات دیگر-3-6

3

تحلیل خطا و روش های جبران آن در حسگرها-4فصل خطای غیرخطی-4-1خطای دینامیکی-4-2خطاهای اتفاقی-4-3نحوه مدلسازی فرآیند اتفاقی-4-3-1

3

سیستم های انتقال اطالعات حسگرها-5فصل

4

آشنایی با سیستم های نمایش، جمع آوری و کنترل-6فصل داده های حسگرها

4

مراجع-7فصل

[1] "microptics," CASA, [Online]. Available: http://www.micropticsl.com/.[2] micropticsl, "microscopy-part-2," [Online]. Available:

http://www.micropticsl.com/es/microscopy-part-2/.[3] microptics, "microscope Catalog," [Online]. Available: http://www.micropticsl.com/wp-

content/uploads/2013/09/nikon_ci_catalog.pdf.[4] microptics, "Köhler illumination," [Online]. Available:

http://www.micropticsl.com/microscopy-part-2-2/.[5] www.microptics, "basler comera catalog," [Online]. Available:

http://www.micropticsl.com/wp-content/uploads/2013/09/basler_ace_catalog.pdf.

4