لودسل چیست؟

لودسل نوعی مبدل است که نيرو را به سيگنال الکتريکی قابل اندازه‌گيری تبديل مي‌کند. لودسل های ساخته شده با استرين گيج بيشترين استفاده را در اندازه‌گیری وزن دارند.

لودسل ها دارای عضوی فنردار مي‌باشند که استرين‌گیج ها روی آن قرار مي‌گيرند. اين فنرها ساخته شده از فولاد يا آلومينيوم هستند و در نتيجه محکم و کمی قابل ارتجاح هستند. فلز وقتی زير وزن و تحت فشار قرار مي‌گيرد تغيير شکل داده و سپس به حالت اوليه‌ی خود برمي‌گردد. اين تغیيرات بسيار ناچيز را مي‌توان با استرين گيج يا کرنش‌سنج اندازه گرفت و مقدار وزن از روی تغيير حالات استرين‌گيج ها به دست مي‌آيد.

استرين گيج ها در يک مدار پل ويتستون جاسازی شده‌اند.

استرین گیج یا کرنش سنج

اگر يک هادی تحت کشش قرار گيرد طول آن بيشتر و عرضش کمتر مي‌شود که باعث افزايش مقاومت الکتريکی دو سر آن مي‌شود و اگر تحت فشار قرار گيرد مقاومت الکتريکی آن کاهش ميابد. اگر نيرو در محدوده‌ی قابل تحمل هادی باقی ماند ميتوان از اين روش برای اندازه‌گيری نيرو استفاده کرد. اين وسيله‌ی اندازه‌گيری کرنش سنج يا استرين گيج نام دارد. هادی‌های استفاده شده در استرين گيج قطر بسيار کمی دارند.

دقت مورد نظر در اندازه‌گيری را استفاده از مدار پل ممکن مي‌سازد. که درجه‌ی عدم تعادل مقدار تغيير طول استرين گيج را نشان مي‌دهد.

ماده‌ای که به کرنش حساسیت نشان دهد، ماده‌ای است که مقاومت الکتريکی آن متناسب با فشار آمده بر سطح آن  تغییرات آنی نشان می‌دهد.

دو نوع ماده با اين خصوصیت وجود دارند: 1- فلزات (به صورت ورقه يا سيم) و 2- نيمه هادی‌ها وقتی به اين مواد کشش وارد شود، طول آن‌ها بيشتر و سطح مقطع و عرضشان کاهش مي‌يابد و این امر به افزايش مقاومت الکتريکی آن ها مي‌انجامد. اين تغيير در مقاومت متناسب با نيروی مکانيکی وارد شده است.

پس يک استرين گيج وسيله‌ای است که با استفاده از تغيیرات مقاومتی کشش يا فشار را اندازه مي‌گيرد.

اکثر استرين‌گيج ها ساختاري ورقه‌ای دارند. ورقه‌ی مورد استفاده بايد دارای ضخامت کمی باشد تا از مقاومت الکتريکی بالایی برخوردار باشد. مقدار مقاومت معمولاً بين 60 تا 350 اهم  است.

استرين‌گيج های دايناميک و استاتيک

يکی از راه های طبقه بندی استرين گيج ها با توجه به هدف استفاده از آن‌ها‌ است که مي‌تواند اندازه‌گيری استاتيک و يا دايناميک باشد. گيج‌های اندازه‌گيری استاتيک معمولاً از آلياژ مس و نيکل ساخته مي‌شوند که کمترين تغيير مقاومت با دما را دارند. استرين گيج‌های دايناميک گاهی از آلياژ آهن، نيکل و کروم ساخته مي‌شوند که ضريب گيج بالاتری دارند يکی ديگر از آلياژهای مورد استفاده کارما است که آلياژی از نيکل و کروم است. گيج های دايناميک تغیيرات مقاومت بالاتری تحت کششی ثابت نسبت به گيج‌های استاتيک دارند و مقاومت آن ها نسبت به تغيیرات دما حساسیت بالاتری دارند. زمانی از اندازه‌گیری داینامیک استفاده مي‌شود که نيروی وارد شده تنها در بازه‌ی زمانی کوتاهی اعمال شود و تغیيرات دما وجود نداشته باشد.

برای انجام تست ديناميکی  به نمونه برداری سرعت بالا و سنسورهایی با پهنای باند کافی نیاز داریم که توانایی ثبت تمام تغیيرات متغير ديناميکی را داشته باشند.

آنالیز داده‌های مربوط به کشش و تنش به دو صورت استاتيک و دايناميک انجام مي‌شود. استاتيک، اندازه گیری سرعت پایين است و با سرعت معادل بيست نمونه بر ثانيه و دايناميک سرعت بالا است و سرعت معادل آن 1000 نمونه بر ثانيه است.

در ديتالاگر اين دو نوع اندازه‌گيری کارت‌های DAQ  متفاوتی نیاز است.

نمونه برداری data acquisition یا DAQ

به عمل برداشت اطلاعات به صورت خام و آنالوگ و تبديل آن به داده‌ی ديجيتال و قابل خواندن توسط کامپيوتر و سایر سيستم ها را داده برداری گويند.

نمونه برداری سرعت بالا high speed data acquisition یا HSDAQ

نمونه برداری سرعت بالا از دستگاهایی چون اسيلوسکوپ ها و ديتالاگر ها استفاده مي‌کنند، يک سيستم داده برداری سرعت بالا دارای ويژگی های پيشرفته تری چون چند کاناله بودن هستند.

هدف اين سيستم ها جمع‌آوری داده به صورتی است که برداشت داده و تغيير سيگنال را در زمان واقعی نشان دهد. اين کار کمک زیادی در حل مشکلات و مقايسه‌ی سيگنال‌ها تحت شرایط مختلف مي‌کند.

دیتالاگر

دیتالاگر دستگاهی الکترونيکی است که وظيفه‌ی مانيتور و ثبت پارامترهای مختلف را در گذر زمان برعهده دارد. این دستگاه اجازه‌ی اندازه گيری، ثبت و آناليز شرايط کار را به ما می‌دهد.

کارت داده برداری یا DAQ-

کارت های داده برداری يا DAQ وسيله‌ی ارتباط کامپيوتر و محيط بيرون هستند، اين کارت ها دارای کانال‌های ورودی و خروجی دو نوع ديجيتال و آنالوگ هستند. وظيفه‌ی آن‌ها دريافت اطلاعات از سنسورها و تبديل سيگنال دریافتی به سيگنال ديجيتال برای خوانده شدن توسط کامپيوتر است.

در ديتالاگرها از کارت‌های DAQ مختلف استفاده مي‌شود که به کاربرد آن بستگی دارد. سرعت نمونه برداری وابسته به وظیفه‌ی دیتالاگر و نوع سنسور مي‌باشد.

نمونه‌بردار و پردازشگر سيگنال با درگاه PSI به طور مستقيم اطلاعات را به کامپيوتر منتقل می‌کند. مزيت استفاده از برد الکترونيکی سرعت بالای آن به علت ارتباط مستقیم با باس است.

از این دیتالاگر میتوان دو نوع مختلف کرنش سنجی دقیق و سریع استفاده کرد. در نمونه برداری سرعت بالا مقدار داده های ثبت شده بسیار زیاد بوده و حجم زیادی از حافظه را اشغال میکند.

نمونه برداری از استرین گیج با ديتالاگر

بهترین راه اندازه‌گيری کرنش، قرار دادن یک استرین گیج در يک مدار پل ويتستون است. استفاده از پل ويتستون مزایایی چون دقت، اندازه‌گيری در مقاومت اهمی پایين، عدم وابستگی به دما و حساسيت بالا برخوردار است. در يکی از چهار بازوی پل ويتستون، يک استرين گيج قرار مي‌گيرد و ولتاژ خروجی به کانال ورودی ولتاژ متغير در دیتالاگر وصل مي‌شود.

نمونه برداری از لودسل با دیتالاگر

لودسل وسيله‌ای است که نیرو و یا باری که بر آن قرار می‌گیرد را اندازه می‌گیرد. کار اين وسيله‌ تبديل نيرو به سيگنال الکتريکی است. اندازه‌گيری و تبديل سيگنال به ترتيب توسط استرين گيج و ديتالاگر انجام مي‌شود.

نيروی اعمال شده به لودسل به استرين گيج منتقل مي‌شود که درون یک مدار ويتستون بسته شده است، نيرو باعث تغيير شکل استرين گيج می‌شود. استرین گیج مقدار تغيير شکل را اندازه گرفته و به سيگنال الکتريکی تبديل مي‌کند. يک ديتالاگر اين اطلاعات را از لودسل دريافت کرده و ديتا را ذخيره مي‌کند. ديتالاگر پل ارتباط دهنده‌ی لودسل و کامپیوتر است.

ویژگی‌های دیتالاگر مناسب برای لودسل

نوع دیتالاگر: بسته به نوع ديتالاگر کانال‌های ورودی از پارامترهای مشخصی نمونه برداری مي‌کنند. ديتالاگر لودسل بايد توانایی نمونه برداری از فشار، کرنش، تکان، ارتعاش و ولتاژ را داشته باشد.

تعداد کانال ها: ديتالاگر ها به دو دسته‌ی يک کاناله و چند کاناله تقسيم مي‌شوند. ديتالاگرهای چند کاناله برای کاربردهای سنگين و پيچيده‌تر مناسب هستند.

دقت ديتالاگر: دقت مورد نياز برای ديتالاگر به نوع اندازه‌گيری بستگی دارد. اگر اندازه‌گيری وزن دقيق مد نظر باشد، دقت ديتالاگر در الويت است. اما اگر قصدمان استفاده از ديتالاگر برای بلند مدت باشد دقت اهميت کمتری دارد. قابل توجه است که دقت ديتالاگر با دما و رطوبت رابطه دارد و تنها در بازه دما و رطوبت لازم است که در دقت خود عمل مي‌کند.

سرعت نمونه برداری: در برخی کاربردها به نمونه برداری سرعت بالا نياز است و داده برداری بايد در سرعت بالا صورت گيرد. با افزايش سرعت نمونه برداری حافظه‌ی مورد نياز نیز افزايش مي‌يابد. برای مثال سرعت نمونه برداری يک نمونه در ثانيه در مدت يک ساعت 3600 بار نمونه برداری مي‌کند.

روش کار دیتالاگر لودسل

ابتدا بار يا نيرو به لودسل اعمال مي‌شود. سپس سيگنال الکتريکی آنالوگ از لودسل به واحد پردازش داده مي‌شود. پس از پردازش، سيگنال به واحد نمونه برداری يا DAQ داده مي‌شود. واحد نمونه برداری سيگنال آنالوگ را به ديجيتال تبديل کرده و ذخيره ميکند.

يک لودسل استرين گيج معمولاً دارای چهار سيم دو سيم وصل به منبع ولتاژ و دو سيم خروجی دارد.

واحد پردازش سيگنال

اين واحد بين واحد تبديل و DAQ قرار دارد و خروجی سنسور به سيگنال مناسب ورودی واحد داده برداری تبديل مي‌کند. معمولاً در سه مرحله صورت مي‌گيرد: انزوا، فيلتر و تقویت.

در مرحله‌ی اول، سيگنال توسط ترانسفورماتور يا اپتوکوپلر از منبع ولتاژ جدا مي‌شود. نويز فيلتر ميشود و سيگنال فيلتر شده به اندازه‌ی مناسب واحد DAQ تقويت می‌گردد.

واحد DAQ

اين واحد سيگنال پردازش شده از سنسور نيرو را دريافت مي‌کند. دارای بخش های مختلفی است. فيلتر تصحيح فرکانس، مدار نمونه‌بردار و نگهدار، انکدر و پردازشگر سيگنال ديجيتال از جمله بخش های مدار است.

فيلتر تصحيح فرکانس مستقيماً در خوروجی تقويت کننده قرار ميگيرد.اين فيلتر انالوگ وورودی دريافتی را محدود مي‌کند و سيگنال ها با فرکانس های بزرگتر از آستانه فرکانس DAQ را حذف مي‌کند.

مدار نمونه‌بردار و نگهدار یا S-H  : اين بخش کار اصلی نمونه برداری را انجام مي‌دهد. از روی يک سيگنال آنالوگ در بازه‌های زمانی مشخص نمونه برمي‌دارد و يک سری نمونه توليد مي‌کند. Sampling rate فاصله‌ی بازه های زمانی را مشخص می‌کند.

کميت ساز و انکدر: کميت ساز از دامنه‌ی مدار S-H نمونه برداری مي‌کند و مقادير را در سطوح مختلف طبقه بندی مي‌کند و انکدر يک کد باينری به هر سطح اختصاص مي‌دهد. اين سه واحد در کنار هم مدار S-H، کميت ساز و انکدر يک مبدل آنالوگ به ديجيتال را شکل مي‌دهند.

پردازش سيگنال ديجيتال: کار اين واحد آناليز دامنه و فرکانس، فيلتر و اسلاح سيگنال ديجيتال خروجی است .

شکل زير نمونه کاربردهای داده برداری با استفاده از سنسور لودسل و ديتالاگر را نشان مي‌دهد. لودسل بار انتقالی روی ماشين را مشخص مي‌کند و اطلاعات توسط يک ديتالاگر به کامپيوتر منتقل مي‌شود.

شماتيک وصل مبدل لودسل و ديتالاگر به یک ماشین