پایان نامه دي الكتريك سنج و هدايت سنج ديجيتالي
فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه ……………………………………………………………………………………. 6
فصل اول : ضرايب رسانايي و دي الكتريك ……………………………….. 8
فصل دوم : ساخت دي الكتريك سنج با استفاده ……………………….. 14
از يك نوسان ساز موج مربعي
فصل سوم : ساخت رسانايي سنج با استفاده از يك ……………………. 29
Milli Ohm Meter
فصل چهارم : AVR و LCD …………………………………………………… 39
فصل پنجم : شرح پروژه ………………………………………………………….. 53
مقدمه
امروزه وسايل اندازه گيري متعددي در دنيا ساخته شده اند كه هر يك به منظور خاصي بكار مي روند . علت اين تعدد ، وجود عناصر و نيز پارامترهاي مختلف مانند ولتاژ ، جريان ، توان و غيره آن هم در رنج هاي گوناگون ميباشد كه باعث شده شركت هاي مختلف سازنده وسايل اندازه گيري الكتريكي و الكترونيكي رقابت تنگاتنگي در جهت بهينه نمودن هر چه بيشتر اين وسايل داشته باشند . نمونه بارز اين رقابت را مي توان دستگاه هاي اسيلوسكوپ نام برد كه امروزه بسيار پيشرفته تر شده اند و حتي مي توان با نصب يك كارت (بورد) ساده بر روي Slot كامپيوتر با هزينه بسيار كمتر يك اسيلوسكوپ پيشرفته داشت . همين طور مي توان دستگاه هاي اندازه گيري را مثال زد كه Probe اين دستگاه كه بصورت يك قلم بزرگ ميباشد ، خودش يك سيستم اندازه گيري نيز مي باشد تا هم سبكتر و هم راحت تر باشد .
اما در اين ميان هنوز هم پارامتر هايي هستند كه شايد تا به حال به آن ها زياد توجه نشده باشد . علت اين امر آن است كه شايد تا بحال ضرورتي پيدا نشده تا اندازه گيري شوند يا شايد با يك فرمول ساده از مقادير ديگر بدست آيند .
يكي از اين پارامترها دي الكتريك و ديگري رسانايي قطعات مختلف مي باشد. البته جهت ساخت دستگاهي كه بتواند اين مقادير را اندازه بگيرد ، بايد توجه داشت كه اين پارامتر ها با پارامتر هايي نظير مقاومت ، جريان ، ولتاژ ، ظرفيت خازن و غيره تفاوت عمده اي دارند و آن اين است كه در پارامتر هاي مذكور سه ديمانسيون طول ، عرض و ارتفاع نقشي ندارند و محدوديتي از اين نظر وجود ندارد ، اما در مورد دي الكتريك و رسانايي ( رسانايي ويژه ) بايد توجه داشت كه اندازه جسم نيز بايد مد نظر باشد .
حال فرض مي كنيم كارخانه اي براي بهينه سازي توليد محصولات خود ميخواهد اين مقادير را اندازه بگيرد تا با بررسي اين خاصيت بتواند محصولات خود را با يك درجه خلوص بسازد ( همان طور كه مي دانيم با تغيير درجه خلوص در يك ماده جامد ضريب دي- الكتريك آن فرق خواهد كرد ) . بنابراين مي دانيم كه اندازه كليه اين محصولات توليد شده همگي به يك صورت بوده و با توجه به صفحات معيني كه با فاصله به خصوصي از هم تعبيه شده اند اين جسم را در بين آن دو صفحه قرار داده و به راحتي با فشردن يك دكمه ضريب دي الكتريك و يا رسانايي آن را اندازه مي گيريم.
مسلماً ضريب دي الكتريك همان طور كه از اسمش هم پيداست بيشتر براي عايق ها و رسانايي براي اجسام رسانا مانند فلزات مناسب مي باشند . نكته حايز اهميت اين است كه چطور سيستمي بسازيم تا هم بتواند دي الكتريك و هم بتواند رسانايي اجسام ( با يك اندازه معين ) را محاسبه كرده و به ما نشان دهد .
فصل اول : ضرايب رسانايي و دي الكتريك
همان طور كه مي دانيم در مدار هاي الكتريكي سه عنصر هستند كه پايه (Base ) كليه مدارهاي الكتريكي و نيز الكترونيكي را تشكيل مي دهند . اين عناصر عبارتند از مقاومت ( R ) ، خازن ( C ) و سلف ( L ) .
هدف ذكر مطالبي است كه در خصوص ساخت دستگاه اندازه گيري ضرايب دي الكتريك و رسانايي حايز اهميت هستند .
مقاومت (R ) كه اولين عنصر مهم در ساخت مدارات مي باشد و جزء لاينفك هر مدار محسوب مي شود به صورت فرمول زير تعريف مي شود :
(ρ بر حسب اهم در متر مي باشد ) R = ρ
كه با توجه به مطالبي كه تا كنون آموختيم مي دانيم ρ ضريب مقاومت ويژه بوده و فقط بستگي به جنس ماده مورد نظر دارد و نيز بر حسب اين كه چه ضريبي باشد ميتواند معرفي كند كه جسم رسانا ، نيمه رسانا و يا نارسانا (عايق) مي باشد .
l طول جسم بوده و A سطح مقطع آن مي باشد ( البته بايد توجه داشت اين سطح مقطع به گونه اي فرض شده كه در تمام طول ماده مقداري ثابت باشد ، وگرنه بايد مقادير سطوح يكسان مختلف را با هم جمع كرده و يا انتگرال گرفت ) .
حال اگر جنس ماده مورد نظر تغيير كند مسلما مقدار ρ فرق خواهد كرد و اين همان موردي است كه براي سيستمي كه در مقدمه توضيح داده شد مناسب مي باشد ، يعني با توجه به رابطه ساده زير :
(. m) = σ
مي توانيم رسانايي ويژه جسم ( σ ) را بدست آوريم .
به جدول صفحه بعد مراجعه كنيد.
جدول رسانندگي هاي اجسام مختلف بطور متوسط در فركانس پايين و درجه حرارت اتاق
ماده | رسانندگي ( σ ) |
نقره | |
مس | |
طلا | |
آلومينيوم | |
برنج | |
برنز | |
آهن | |
آب ( مقطر ) | |
خاك | |
شيشه | |
چيني | |
لاستيك |
عنصر بعدي خازن ( C ) مي باشد كه به صورت فرمول زير تعريف شده است :
C = ε
البته همان طور كه مي دانيم خود ε با توجه به فرمول زير بدست مي آيد :
ε ε = ε
در مورد خازن ، موارد تا حدودي مشابه مقاومت بوده و سطح مقطع و فاصله دو جوشن از هم در آن تاثير دارند . هنگامي كه فرض كنيم دو صفحه جوشن خازن به يك اندازه ( يعني A ) بوده و به فاصله d از هم قرار گيرند به گونه اي كه دو صفحه كاملا با هم موازي باشند ، ميتوانيم با قرار دادن يك دي الكتريك در ميان اين دو صفحه مقدار C را تغيير دهيم . پس همان طور كه ملاحظه ميشود با استفاده از يك خازن سنج دقيق و داشتن اندازه هاي صفحات جوشن و فاصله آنها از يكديگر مقدار ε را بدست آورده و در نهايت ε را با يك رابطه ساده از آن استخراج كنيم ، البته بايد توجه داشت كه اين مقدار گاهي براي بعضي موارد در فركانسها و درجه حرارتهاي مختلف تغيير مي كند .
به جدول صفحه بعد مراجعه كنيد.
جدول گذردهي هاي نسبي اجسام مختلف ( ثابت دي الكتريك ) بطور متوسط در فركانس پايين و درجه حرارت اتاق :
ماده | نفوذ پذيري نسبي (ε ) |
هوا | |
شيشه | 4 ~ 10 |
روغن | 2.3 |
كاغذ | 2 ~ 4 |
چيني | 5.7 |
لاستيك | 2.3 ~ 4 |
خاك | 3 ~ 4 |
تفلن | 2.1 |
آب ( مقطر ) | 80 |
همان طور كه قبلا هم ذكر شد دو پارامتر σ و ε كه اهداف نهايي ما در اين پروژه ميباشند توسط فرمول هاي مربوطه بدست مي آيند . اما در بدست آوردن اين گونه مقادير محدوديت هايي نيز مي باشند كه از مهمترين آنها حرارت ، فركانس ، نويز و غيره بوده كه به طور عمده اي بر روي اين مقادير تاثير گذار هستند .
جدول ديگري از مقاومت و هدايت مخصوص اجسام ( دريافتي از اينترنت )
جنس | مقاومت مخصوص (m.) | هدايت مخصوص(m.) |
نقره | 0.0000000163 | 61350000 |
مس | 0.0000000178 | 56000000 |
طلا | 0.0000000245 | 40800000 |
آلومينيوم | 0.0000000283 | 35335000 |
تنگستن | 0.0000000570 | 17540000 |
روي | 0.0000000644 | 15530000 |
برنج | 0.0000000783 | 12770000 |
پلاتين | 0.0000001032 | 9690000 |
آهن | 0.0000001151 | 8688000 |
نيكل | 0.0000001376 | 7267000 |
قلع | 0.0000001459 | 6854000 |
فولاد | 0.0000001534 | 6519000 |
سرب | 0.0000002271 | 4403300 |
جيوه | 0.0000009718 | 1029000 |
نيكروم | 0.0000001068 | 936300 |
كربن | 0.000036 | 27800 |
فصل دوم : ساخت دي الكتريك سنج با استفاده از يك نوسان ساز موج مربعي
توضيحاتي در مورد مدار نوسان ساز موج مربعي :
علت استفاده از نوسان ساز موج مربعي اين است كه اطلاعات آنالوگ خازن را به اطلاعات ديجيتال تبديل كنيم ؛ در واقع مي توان گفت علت اصلي آن مناسب بودن اين سيگنال جهت AVR ( كه بعداً در مورد آن مفصلاً توضيح داده خواهد شد ) مي باشد .
در اين قسمت مي خواهيم طرز ساخت يك مدار نوسان ساز موج مربعي را تشريح كنيم . ميدانيم كه در مدار هاي ديجيتال استفاده از يك نوسان ساز موج مربعي كه بتواند در باند فركانسي مورد نظر ما نوسان كند ، بسيار مفيد مي باشد . لذا در خصوص اين سيستم ( دي- الكتريك سنج ديجيتال ) نيز كه در نهايت مي خواهد اطلاعات ديجيتال به ما بدهد ، توليد پالسهاي مربعي بسيار مفيد واقع خواهد شد ، بطوريكه با قرار دادن خازن مورد نظر در قسمت نوسان ساز و تغيير دي الكتريك موجود در بين صفحات آن مي توانيم فركانس نوسان موج مربعي را تغيير دهيم و اين همان چيزي است كه در بدست آوردن مقدار دي الكتريك به آن احتياج داريم . البته ظاهراً با يك معادله ساده كه در توضيحات قبل گفته شد ميتوانيم از روي فركانس و مقادير معلوم ديگر ، اندازه دي الكتريك را بدست آوريم ، اما بايد توجه داشت كه هر دستگاه اندازه گيري نياز به كاليبره شدن دارد . لذا در اين سيستم بايستي پس از دريافت اطلاعات سيگنال مورد نظر آن را كاليبره كنيم ، كه يكي از ساده ترين راههاي آن اندازه گيري دو جسم مختلف و يا يك جسم در اندازه هاي متفاوت مي باشد كه در نهايت اگر محدوده اندازه گيري ما كم باشد ، مي توانيم آن را يك معادله خطي در نظر گرفته و دو عدد مجهول آن را با استفاده از يك دستگاه دو معادله دو مجهولي بدست آمده از دو جسم مذكور بدست آوريم .
در خصوص خازن داريم :
C = ε (كه مقادير A و d و ε آن از روي جداول معلوم مي باشند و مي توانيم مقدار C را بدست آوريم )
و نيز با توجه با اينكه نوسان ساز مورد نظر ما RC مي باشد كه در زير به طور كامل توضيح داده خواهد شد ، نسبت ظرفيت خازن به فركانس بدست آمده بصورت زير خواهد بود :
C
پس با حل دستگاه دو معادله دو مجهولي زير جهت دو جسم مختلف ، مقادير مجهول X و Y بدست مي آيند :
( كه و فركانسهاي بدست آمده در دو مرحله بوده و و قبلاً از فرمول مربوطه بدست آمده اند )
در نهايت با قرار دادن معادله اول اين دستگاه در معادله خازن داريم :
( كليه مقادير سمت راست معادله معلوم هستند )
توجه : در صورتيكه بخواهيم از معادله دوم استفاده كنيم ، به جاي مقدار و و مقادير A و d از استفاده مي كنيم .
شكل كلي مدار نوسان ساز موج مربعي مذكور به صورت زير مي باشد :
فرض : = 5 v =
( جهت فعال سازي Op – Amp )
( شكل 1 )
در اين اسيلاتور كه Op-Amp آن همانند يك مقايسه كننده عمل مي كند، با توجه به شكل در حالت اول چون 0 = ، لذا افت ولتاژي بر روي خواهيم داشت كه با توجه به تخليه بودن خازن در لحظه اول 0= و به همين دليل چون فيدبك مثبت داريم و لذا و در نتيجه خروجي سيستم از 5v شروع خواهد شد . در مرحله بعد خازن با يك ثابت زماني معين از صفر تا عددي زير 5v شارژ خواهد شد . علت اينكه به 5v نمي رسد اينست كه با توجه به ، مقاومتهاي موجود در سر افت ولتاژي برابر با يا ايجاد خواهند كرد در نتيجه تا به دليل اينكه شارژ خواهد شد و به محض اينكه اين مقدار از بيشتر شد ( كه اين اختلاف عددي بسيار كوچك مي باشد ) شده ، لذا مجددا و افت ولتاژ بر روي به مقدار زير تغيير خواهد كرد :
در نتيجه خازن از طريق مقاومت فيدبك منفي در جهت مخالف جهت شارژ ( به سمت ) تخليه خواهد شد كه اين تخليه خازن تا مقدار ادامه مي يابد و مجددا بدليل اينكه اندكي از كمتر شد چون دوباره و اين كار مرتبا بين مقادير و ادامه خواهد داشت .
فرمولهاي شارژ و دشارژ خازن ( به جز در لحظه شارژ اوليه ) به صورت زير خواهند بود:
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.