تحقیق انواع سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت



بسم الله الرحمن الرحیم

موضوع
انواع سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت

پاییز 96

فهرست
مقدمه 4
پیزوالکتریک 4
سنسور فشار 5
کاربرد سنسور فشار 5
به طور کلی می توان کاربرد سنسور فشار را به چند دسته تقسیم کرد 6
تکنولوژی های اندازه گیری سنسورهای فشار 6
کپسول (Capsule)- دیافراگم (Diaphragm) 7
سنسورهای فشار از نظر نوع فشار اندازه گیری 7
سنسورهای فشار مطلق 7
سنسورهای فشار گیج 8
سنسورهای فشار خلا 8
سنسورهای فشار تفاضلی 8
سنسورهای فشار مهرشده(sealed) 8
سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی ساخت 8
ترانسدیوسر خازنی فشار 9
ترانسدیوسر پتانسیومتری فشار 9
پیزوالکتریک 9
سازندگان این نوع سنسور 9
تکنولوژی های حس کردن سنسور فشار 10
فشار سنج چیست؟ 11
سنسور فشار 12
انواع اندازه گیری فشار 13
سنسور فشار مطلق 13
سنسور فشار گیج Gauge 13
• سنسور فشار خلا 13
• سنسور فشار تفاضلی 14
• سنسور فشار مهرشده(sealed) 14
• تکنولوژی حس کردن فشار 14
• خازنی 15
• الکترومغناطیسی 15
• پیزو الکتریک 15
• پتانسیومتری 16
• رزونانس 16
• دما 17
• یونیزاسیون 17
• اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا 17
• اندازه گیری ارتفاع / عمق 18
حسگرهای پیزو الکتریک 19
پیزوالکتریک چیست؟ 19
ساختار 23
مناسب سازی سیگنال 30
وسایل اندازه گیری فشار 32
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از : 32
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی : 32
فشار سنجهای پیستونی: 33
فشار سنجهای ستون مایع : 33
فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مکانیکی): 35
فشارسنجهای بوردون 36
فشارسنجهای دیافراگمی 38
فشار سنج الکترونیکی : 39
فشار سنج هدایت حرارتی 41
1-1- فشارسنج یونیزاسیون 42
سنسورهای فشار پیزو مقاومتی 48
روش بکارگیری 49
سنسورهای فشار خازنی 50
اصول سنسور فشار جدید 52
منابع 54

مقدمه
پیزوالکتریک :
در پیزوالکتریک تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ می شود. در حقیقت ضربات وارد شده باعث تولید ولتاژ می شود نمک راشل که در میکروفن های قدیمی استفاده می گردید خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتس رایج ترین پیزوالکتریک می باشد . سنسورهای پیزوالکتریک بخاطر دقت بالا کاربردهای فراوانی دارند . ویژگی های عمده این سنسورها سختی، سایز کوچک ،سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه هستند با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک می توان سرعت و تغییرات شتاب را نیز اندازه گیری نمود .
یک سنسور هم کمیت فیزیکی معین را که باید اندازه گیری شود به شکل یک کمیت الکتریکی تبدیل می کند، که می تواند پردازش شود یا به صورت الکترونیکی انتقال داده شود. مثلاً یک سنسور رنگ می تواند تغییر در شدت نور را به یک پروسه تبدیل نوری الکترونی به صورت یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند. بنابراین سنسور را می توان به عنوان یک زیر گروه از تفکیک کننده ها که وظیفه ی آن گرفتن علائم ونشانه ها از محیط فیزیکی و فرستادن آن به واحد پردازش به صورت علائم الکتریکی است تعریف کرد. البته سنسوری مبدلی نیز ساخته شده اند که خود به صورت IC می باشند و به عنوان مثال (سنسورهای پیزوالکترونیکی، سنسورهای نوری).
وقتی ما از سنسوری مجتمع صحبت می کنیم منظور این است که تکیه پروسه آماده سازی شامل تقویت کردن سیگنال، فیلترسازی، تبدیل آنالوگ به دیجیتال و مدارات تصحیح می باشند، در غیر این صورت سنسوری که تنها سیگنال تولید می کند به نا سیستم موسوم هستند.
امروزه بحث سنسور به اهمیت مفاهیمی از قبیل میکروپرسسور (پردارزش گر)، انواع مختلف حافظه وسایر عناصر الکترونیکی رسیده است، با این وجود سنسور هنوز هم فاقد یک تعریف دقیق است همچنانکه کلمات الکترونیکی از قبیل پروب، بعدسنج، پیک آپ یا ترنسدیوسر هنوز هم معانی لغوی ندارند. جدا از این ها کلمه سنسور خود ریشه بعضی کلمات هم خانواده نظیر المان سنسور، سیستم سنسور، سنسور باهوش و تکنولوژی سنسور شده است کلمه سنسور یک عبارت تخصصی است که از کلمه لاتین Sensorium، به معنی توانایی حس کرد، یا Sensus به معنی حس برگرفته شده است. پیش از آن که بحث را ادامه دهیم لازم است عبارت سنسور را در صنعت الکترونیک تعریف کنیم:
در نوع پیشرفته به نام سنسور هوشمند یک واحد پردازش به سنسور اضافه شده است تا خورجی آن عاری از خطا باشد منطقی تر شود. واحد پردازش سنسور که به صورت یک مدار مجتمع عرضه می شود اسمارت (Smart) نامیده می شود. یک سنسور باید خواص عمومی زیر را داشته باشد تا بتوان در سیستم به کار برد که عبارتند از:
حساسیت کافی، درجه بالای دقت و قابلیت تولید دوباره خوب، درجه بالای خطی بودن، عدم حساسیت به تداخل و تاثیرات محیطی، درجه بالای پایداری و قابلیت اطمینان، عمر بالای محصول و جایگزینی بدون مشکل.
امروزه با پیشرفت صنعت الکترونیک سنسوری مینیاتوری ساخته می شود که از جمله مشخصه ی آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
سیگنال خروجی بدون نویز، سیگنال خروجی سازگار با باس، احتیاج به توان پایین.

سنسور فشار
سنسور فشار جهت اندازه گیری فشار مایع و یا فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد . فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود.
سنسور فشار به صورت مبدل کار می کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.

کاربرد سنسور فشار
سنسور فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد صنعتی استفاده می شوند، با توجه به اینکه پارامتر فشار یک کمیت عمومی در صنایع مختلف می باشد . این سنسور تقریبا در تمامی صنایع کاربرد دارد که این صنایع شامل کلیه خطوط تولید هیدرولیک و پنوماتیک ، صنایع آب و فاضلاب ، خطوط رباتیک ، صنایع غذایی ، دیگهای بخار ، صنایع نورد فلزات ، معادن ، چیلر ، ارتفاع سنجی مخازن ، موتورخانه ها ، ایستگاههای پمپاژ ، سد ، جرثقیل ، ماشین آلات راه سازی ، مخازن مایعات و گازها ، غلتک ها ، سیستم های هیدرو متری ، نفت وگاز ، فشار خلاء (Sealing Pressure) ، فشار مطلق (AbsolutePressure) ، فشار نسبی (Meter Pressure) ، پارچه بافی و نخ ریسی ، سیستم های آتش نشانی و سیستم های هواشناسی و… می باشد.
به طور کلی می توان کاربرد سنسور فشار را به چند دسته تقسیم کرد
۱- اندازه گیری فشار
۲- اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
۳- آزمایش نشتی
۴- اندازه گیری عمق
۵- اندازه گیری جریان
۱- اندازه گیری فشار : این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن ها فشار کارایی دارد به کار می رود
۲- اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا : این کاربرد از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود که کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن های هواشناسی و غیره می باشد
۳- آزمایش نشتی : می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان
۴- اندازه گیری عمق و ارتفاع : یکی دیگر از کاربردهای سنسور فشار اندازه گیری ارتفاع سطح مایع می باشد ، از این تکنیک برای اندازه گیری جسم غوطه ور در آب مانند غواص ها ، زیر دریایی ها و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن استفاده می شود .
۵- اندازه گیری جریان : در این روش با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت ، اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتاً کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.
تکنولوژی های اندازه گیری سنسورهای فشار
۱- اندازه گیری فشار توسط مانومتر ها (Manometers)
(مانومتر یک شاخه ای (Single Leg Manometer)
مانومتر دو شاخه ای (V-Tube Manometer)
مانومتر مورب Inclined Manometer)
۲- اندازه گیری فشار توسط فشار سنج های لوله بوردن (Bourdon Tube)
لوله ی C شکل (C-Tube) – لوله ی فانوسی (Bellows Tube) – لوله ی حلقوی (Helical Tube) لوله ی حلزونی (Spiral Tube)
۳- کپسول (Capsule)- دیافراگم (Diaphragm)
۴- اندازه گیرهای الکتریکی فشار (Electrical Pressure Measurement)
۵- استرین گیج ها (Strain-Gages)
۶- اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive Pressure Measurement )
۷- اندازه گیری های پیزوالکتریکی فشار (Piezoelectrical Pressure Measurement)
کپسول (Capsule)- دیافراگم (Diaphragm)
دیافراگم معمولا از جنس فلزی استیل ساخته می شود و روی دیافراگم را به صورت موج دار می سازند تا در برابر نیرویی که به آن وارد می شود جابجایی داشته باشند . برای اندازه گیری فشار زیاد از دیافراگم کوچک و برای اندازه گیری فشار کم از دیافراگم بزرگ استفاده می شود .
کپسول از دو دیافراگم تشکیل شده است که محیط آن به هم وصل می شود که بین آنها از مایع تراکم ناپذیر پر می شود حساسیت کپسول بیشتر از دیافراگم است و به ازای فشار مشخص تغییرات طول کپسول معادل دو برابر یک دیافراگم با مشخصه مشابه می باشد.
سنسورهای فشار از نظر نوع فشار اندازه گیری
با توجه به نوع فشار، فشار سنج ها، به ۵ دسته طبقه بندی می شوند
۱- مطلق
۲- گیج
۳- خلا
۴- تفاضلی
۵- مهرشده(sealed)
سنسورهای فشار مطلق
این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.
سنسورهای فشار گیج
این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می شود زیرا می تواند برای اندازه گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار ۰ psi را می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.
سنسورهای فشار خلا
این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا .
سنسورهای فشار تفاضلی
این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.
سنسورهای فشار مهرشده(sealed)
این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.
سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی ساخت
سنسور های فشار با تکنولوژیهای زیر ساخته و در بازار عرضه می شوند
۱- روش دیافراگم و کپسول
۲- ترانسدیوسر خازنی فشار
۳- ترانسدیوسر پتانسیومتری فشار
۴- پیزوالکتریک
روش دیافراگم و کپسول :
دیافراگم معمولا از جنس فلزی استیل ساخته می شود و روی دیافراگم را به صورت موج دار می سازند تا در برابر نیرویی که به آن وارد می شود جابجایی داشته باشند . برای اندازه گیری فشار زیاد از دیافراگم کوچک و برای اندازه گیری فشار کم از دیافراگم بزرگ استفاده می شود .
کپسول از دو دیافراگم تشکیل شده است که محیط آن به هم وصل می شود که بین آنها از مایع تراکم ناپذیر پر می شود حساسیت کپسول بیشتر از دیافراگم است و به ازای فشار مشخص تغییرات طول کپسول معادل دو برابر یک دیافراگم با مشخصه مشابه می باشد
ترانسدیوسر خازنی فشار :
در این ترانسدیوسر از فاصله صفحات خازن برای سنجش فشار استفاده می شود در این روش توسط نوسان ساز تغییرات ظرفیت خازن تبدیل به تغییرات فشار می شود این نوع ترانسدیوسرها برای اندازه گیری فشار کم و معمولا برای آزمایشگاه استفاده می شود.
ترانسدیوسر پتانسیومتری فشار :
در این روش از یک بیلوز جهت تبدیل فشار پروسه به جاجایی استفاده می شود .
بیلوز شبیه به بوق دو چرخه است که با افزایش فشار طول آن تغییر کرده و با جابجا شدن اهرم تنظیم مقاومت متغییر می شود و در نتیجه می توان مقاومت فشار را اندازه گیری نمود .
پیزوالکتریک :
در پیزوالکتریک تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ می شود. در حقیقت ضربات وارد شده باعث تولید ولتاژ می شود نمک راشل که در میکروفن های قدیمی استفاده می گردید خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتس رایج ترین پیزوالکتریک می باشد . سنسورهای پیزوالکتریک بخاطر دقت بالا کاربردهای فراوانی دارند . ویژگی های عمده این سنسورها سختی، سایز کوچک ،سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه هستند با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک می توان سرعت و تغییرات شتاب را نیز اندازه گیری نمود .
سازندگان این نوع سنسور
تقریبا می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند که از جمله برندهای معتبر بازار می توان به موارد زیر اشاره کرد
سنسور فشار هاگلر Hogller
سنسور فشار اتک Atek
سنسور فشار ترافاگ TRAFAG
سنسور فشار امرسون EMERSON
سنسور فشار اشکراف ASHCROFT
سنسور فشار یوکوگاوا YOKOGAWA
سنسور فشار زیمنس SIEMENS
سنسور فشار هانی ول HONEY WELL
سنسور فشار فاکس برو FOXBORO
سنسور فشار فیشر FISHER
سنسور فشار روزمونت ROSEMOUNT
سنسور فشار کلر KELLER
سنسور فشار دانفوس DANFOSS
سنسور فشار ویکا WIKA
سنسور فشار ایندومارت INDUMART
سنسور فشار آی اف ام IFM
سنسور فشار بامر BAUMER
سنسور فشار بی دی سنسور BD SENSORS
سنسور فشار اندرس هاوزن ENDRESS+ HAUSER
سنسور فشار سنسیس Sensys
تاریخچه
اکتشاف و پژوهش های اولیه
اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس و فرنز آپینوسمطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورلادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوری انجام شد. آن ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (نمک راشل) خاصیت پیزوالکتریک دارند. کوارتز و نمک راشل بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. کیوری ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپماندر سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
در چند ده بعد، پیزوالکتریک یک پدیده کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش تری برای تعریف ساختار کریستال هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال ها به اوج خود رسید که ۲۰ دسته کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیره پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل ها و آمارهای کششی بدست آورد.
اولین استفاده عملی از دستگاه های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی بوسیله امواج صوتی) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند. دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه نازک فولاد متصل شده بودند و یک هیدروفن(دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می کند) برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه گیری کرد.
استفاده موفقیت آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه فزاینده ای در توسعه دستگاه های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دهه بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.
دستگاه های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان تر ساخته می شد. پیشرفت مبدل های ماوراء صوت موجب شد سنجشگران روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان تر شود که نتیجه آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج های ماوراء صوت می توانستند ترک های فلزات را درریخته گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.
در جریان جنگ جهانی دوم گروه های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن دستهٔ جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام گذاری شد و خیلی بیش تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می کردند و موجب علاقه ای وافر در توسعه تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی هایی منحصربفرد شد.
یک نمونه مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه کریستال "AT cut" شد. کریستالی که در محدوده دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجهٔ آن تسهیل استفاده درصنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.
پیشرفت دستگاه های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال های کوارتز اولین موادی بودند که از آن ها بهره برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرایند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.
در مقابل تولیدکننده های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش های ژاپنی ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش تر پیشرفت های ژاپنی ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی های جدید در صافی های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون ها، پیزوبوزر ها (تولید صدای تیز و تند)، مبدل های صدا که می توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک (و بریان کن ها) جرقه تولید می کنند، بود. مبدل های ماوراء صوت که امواج را به هوا می فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفاده تجاری در کنترل های تلویزیون بود. امروزه این مبدل ها بر روی انواع مختلف ماشین ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می کنند فاصله عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.
سازوکار و ساختمان
ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی های الکتریکی لحظه ای در جامدات مربوط می شود. سطح خارجی ممکن است در شبکه کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه گیری از دوقطبی های لحظه ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال ها محاسبه می شود. همچنان که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت گیری می کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت دار می شوند اما می توانند توسط فرایند قطبی سازی (با قطبی سازی مغناطیسی متفاوت است) هم جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی شوند.
نکته قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی ها یا به علت جهت گیری مولکول های قطبی لحظه ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی ها یا جهت آن ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:
جهت گیری دوقطبی ها درون کریستال
تقارن کریستال
فشار مکانیکی اعمالی
تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرووارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می کند.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده رفتار الکتریکی ماده است.
طبقه بندی کریستال ها
از ۳۲ گروه کریستال، ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن ها کلاس کریستال قطبی را نشان می دهند که قطبش خودبه خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیزوالکتریک را ذخیره می کنند. اگر دوقطبی لحظه ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.
کلاس های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3m, 6, 6 mm.
کلاس های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m, 222, mm2, 4, 4, 422, 4 mm, 42m, 3, 32, 3m, 6, 6, 622, 6 mm, 62m, 23, 43m.
کریستال های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می شود. از طرف دیگر کریستال های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می آید. در این کریستال ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می کند.
مواد
بسیاری مواد چه طبیعی چه ساختهٔ دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می کنند.
کریستال های ذاتی
برلینیت (AlPO۴) یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است
نیشکر
کوارتز
نمک راشل
زبرجد هندی
مواد معدنی گروه تورمالین
سایر مواد طبیعی
استخوان: استخوان بی آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این ها به خاطر کریستال های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژناست. کلاژن در ساختارش جهت گیری محوری قطبی مولکول های دوقطبی را ذخیره می کند و می توان آن ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع ماده دی الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می کند. وقتی تعدادی از مولکول های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می شود که انتظار می رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.
اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل ۱۹۸۰ به کار گرفته شد که در نتیجه مشخص گردید استفاده پیوسته از پتانسیل الکتریکی می تواند هم تخریب استخوان ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش تر انجام گرفته در دهه ۱۹۹۰ معادله ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان های بلند را همانند کریستال های شش گوشه (کلاس ۶) تایید می کرد.
تاندون
ابریشم
چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
مینای دندان
عاج دندان
کریستال های دست ساز
گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کریستالی مشابه کوارتز
لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کریستالی مشابه کوارتز
سرامیک های دست ساز
خانواده سرامیک های دارای ساختارهای پروسکایت یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می دهند:
تیتانات باریم (BaTiO۳)-(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
سرب تیتانات (PbTiO۳)
تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi۱−x]O۳ ۰≤x≤۱
نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
سدیم تنگستات (Na2WO۳)
Ba2NaNb5O۵
Pb2KNb5O۱۵
پیزوسرامیک های بدون سرب
اخیراً نگرانی ها در خصوص سمی بودن دستگاه ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی ها تاکید بر توسعه کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می باشد.
نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
بیسموت فریت (BiFeO۳)
نیوبات سدیم NaNbO۳
تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تایید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیهٔ آن ها.
پلیمرها
PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش تر از کوارتز نشان می دهد. بر خلاف سرامیک ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورنده اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول های زنجیره بلند مزدوج هنگامی که در محدوده یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند یکدیگر را جذب و دفع می کنند.
کاربردها
امروزه کریستال های پیزوالکتریک کاربردهای متعدد و بسیاری دارند از جمله:
منابع با ولتاژ و توان بالا
همان گونه که پیش از این اشاره گردید، پیزوالکتریسیتهٔ مستقیم برخی مواد مانند کوارتزها می توان تفاوت های فراوانی را در میزان ولتاژ ایجاد نماید.
شناخته شده ترین کاربرد موجود فندک الکتریکی می باشد: فشار شستی باعث می گردد چکش فنری به کریستال پیزوالکتریک ضربه وارد کند و جریان الکتریکی با ولتاژ کافی ایجاد گردد و جرقه جاری می گردد، و در نتیجه گاز را گرم و مشتعل می نماید. در حال حاضر بسیاری از جرقه زن های قابل حمل مبتنی بر این فناوری ساخته می شوند.
تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژه آن زراعت انرژی نام گرفته است. این پروژه شامل بر فعالیت هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتور های پیزوالکتریک جای گرفته در چکمه سربازان باردار شود. با این حال، این منابع زراعت انرژی در مجموع آثاری بر روی بدن سربازان دارند. تلاش های دارپا در جهت به دست آوردن ۱ تا ۲ وات از اثر برخورد مستمر پوتین سربازان با زمین به هنگام راه رفتن، به واسطه عدم کاربردی بودن و به خاطر ناراحتی های ناشی از انرژی ایجاد شده توسط فردی که پوتین ها را به پا کرده است، متوقف گشت.
مبدل پیزوالکتریک نوعی چندراهه با ولتاژ متناوب می باشد. برخلاف یک مبدل معمولی که از جفت شدن مغناطیسی بین ورودی و خروجی بهره می گیرد، مبدل پیزوالکتریک از جفت شدن صوتی استفاده می کند. این ابزارها می توانند در تبدیل های ای سی-دی سی برای به کار انداختن لامپ های فلورسنت با کاتد سرد به کار گرفته شوند.
حسگرها
اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه های مختلفی می تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.
تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن های پیزوالکتریک امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می شوند، یا گیرنده های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنهٔ یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می خوانند.
حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توام با صداهای با فرکانس بالا در مبدل های مافوق صوت جهت عکسبرداری های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
پیزوالکتریک در نانو
بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام آی تی، ژونگ لینگ ونگ فکر می کند که سیم های پیزوالکتریک نانو می توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.
نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیار کوچکند. آن ها می توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن ها را دشوار می کند. هدف ونگ، نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می برند است. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند.
ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ این پدیده را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایه میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می شود و به حالت اولیه برمی گردد پتانسیل تولید شده توسط یون های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می آورند. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می رسید. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهار کردن لرزه های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیلهٔ کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم ها می شود که به تولید جریان الکتریکی می انجامد.
ونگ نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست. او امیدوار است نهایتاً این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی پاد تامین کند.
برخلاف اجزای الکترونیکی قدیمی، نانوپیزوترونیک ها به منبع جریان خارجی نیاز ندارند و وقتی در معرض نیروی مکانیکی قرار می گیرند به خودشان نیرو وارد می کنند.
یک سمعک نانو پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته ای از نانو سیم ها استفاده می کند که هر کدام تنظیم شده است در محدوده عظیمی از صداها با فرکانس متفاوت به ارتعاش درآید. نانو سیم ها صداها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل و آن ها را پردازش می کنند به همین جهت آن ها مستقیماً می توانند به نرون های مغز فرستاده شوند. سمعک ها نه فقط متراکم تر و حساس تر می شوند بلکه باتری های آن ها قابل تعویض خواهد بود. حسگرهای نانوپیزوالکترونیک همچنین برای تشخیص فشار مکانیکی در موتور هواپیما استفاده می شوند؛ فقط چند ترکیب کوچک نانو سیم فشار را برصفحه نمایش می آورد؛ اطلاعات را پردازش می کند و به کابین خلبان منتقل می کند.
ونگ pH و حسگرهای اشعه UV را با این وسایل ملحق کرد و نشان داد که وقتی تحت فشار قرار بگیرند می توانند به حسگر نیرو بدهند.
وسایلی که انرژی هدر رفته را ذخیره می کنند و امکانات جدیدی را به ارمغان می آورند مثل لباس هایی که با حرکات بدن وسایل الکترونیکی را شارژ می کنند از مواردی است که در شاخهٔ نانوپیزوالکتریک دنبال می شود. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایه نانو سیم ها کار می کنند تولید کرده اند که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحهٔ نمایش کریستال مایع ذخیره می کنند.
پیزوالکتریک ها قبلاً در میکروفن ها، حسگرها، ساعت ها و… استفاده شده اند اما تلاش برای ذخیره انرژی بیومکانیکی توسط آن ها بی نتیجه مانده است زیرا آن ها بیش از اندازه سفت اند. پلیمرهای پیزوالکتریک موجودند اما استفاده از آن ها به صرفه نیست.
تکنولوژی های حس کردن سنسور فشار
برای سنسور های فشار آنالوگ دو دسته بندی کلی وجود دارد
۱- حس کردن فشار با استفاده از تکنولوژی جمع کننده نیرو
۲- حس کردن فشار از طریق تکنولوژی چگالی
انواع جمع کننده نیرو: این نوع از سنسورهای فشار الکترونیکی عموما از یک جمع کننده نیرو استفاده می کنند.( مانند دیافراگم، پیستون، لوله بوردونی) تا کشش را بر اساس نیروی اعمالی و فشار بر سطح اندازه بگیرد.
• گیج های کشش پیزو رزیستور
• خازنی
• الکترومغناطیسی
• پیزو الکتریک
• نوری
• پتانسیومتری
انواع حس کردن از طریق چگالی : بعضی از سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر ( مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می کنند.
• رزونانس
• دما
• یونیزاسیون
• سایر روش ها (سرعت صوت، جرم، ضریب شکست
یکی از کاربردهای این دستگاه در سالن های مرغداری می باشد. در مرغداری های صنعتی برای هوادهی از دریچه های اینلت و پره های ورودی هوا استفاده می شود. این هواده ها نقش کلیدی در پرورش طیور و همچنین کاهش مصرف سوخت ایفا می کنند. این دریچه ها معمولا به موتورهای برقی(موتور وینچ) جهت باز و بسته شدن مجهز می گردند. ترانسمیتر فشار سنج برای کنترل دریچه های اینلت و پره های ورودی هوا به کار می رود.
در سالن های مرغ داری از فن های عرضی و طولی ( حداقلی و تونلی) جهت تهویه و خارج کردن گازها از سالن و یا خنک کردن طیور استفاده می شود. وقتی این فن ها روشن می شوند فشار منفی در سالن ایجاد می شود( به دلیل استفاده از فن های مکنده). میزان باز و بسته شدن دریچه های اینلت و پره ها(ورودی های هوا) باید بر اساس فشار منفی ایجاد شده در سالن باشد. در غیر این صورت از میزان کاریایی هوادهی می کاهد و افزایش مصرف سوخت را به همراه دارد.
دستگاه فشار سنج فشار هوای سالن را در حد مطلوب نگه می دارد. همچنین این دستگاه قابلیت فرمان جداگانه به دریچه های اینلت و پره های ورودی هوا در کارکرد سه نوع تهویه حداقلی، انتقالی و تونلی را دارد
فشار سنج
فشارسنج یا Barometer را برای اندازه گیری فشارهوا به کار می برند. هرچند اصطلاح "به سبکی هوا" به معنای خیلی سبک است اما باید توجه داشت که وزن هوای روی هر متر مربع از سطح زمین معادل ۱۰۰۰۰ کیلوگرم است. نیروی وارد بر سطح را فشار می نامند. هر فشارسنج تشکیل شده اشت از یک قوطی فلزی تخت و درزبندی شده که درون آن از هوا خالی است. فشار هوا می خواهد قوطی را مچاله کند اما چون فلز خاصیت فنری دارد کاملاً مچاله نمی شود. با تغییر فشارهوا جدار فلزی قوطی بالا و پایین می رود. مجموعه ای از اهرم ها حرکت جدار قوطی را به حرکت عقربه ای بر روی صفحهٔ مدرج (شبیه صفحه ساعت) تبدیل می کند. با بالا رفتن از سطح زمین (مثلاً با هواپیما) و همچنین با تغییر شرایط آب و هوا، فشار هوا کم می شود. فشارسنج را برای سنجش ارتفاع پرواز هواپیما از سطح زمین و نیز برای پیش بینی وضع هوا به کار می برند. در هواشناسی فشار هوا را بر حسب میلی بار (mb) بیان می کنند. میانگین فشار هوا در مجاورت سطح دریا در حدود ۱۰۰۰mb است.
سنسور فشار
عموما فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند. برای این منظور می توان سیگنال الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده می شوند.
سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند. برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع از این متغیرها هستند. به سنسورهای فشار، مبدلهای فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشاندهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … نیز گفته می شود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند. با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند. هم چنین طبقه ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه گیری حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد. این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار می کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.

پیزوالکتریسیته خاصیتی است در مواد بلوری که در روند ان فشار وارد شده بر بلور ایجاد الکتریسته می کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث ایجاد فشار می شود دلیل این امر در بلور کوارتز با فرمول SIO2 ان است که در حالت معمولی ودر حالتی معین از بلور کوارتز شش گوشی تشکیل می شود که گوشه های ان به صورت یک در میان با یون اکسیزن و سیلیس اشغال شده است این شش گوش بدون اعمال فشار در حالت ایستایی الکتریکی است ولی فشار باعث می شود که این حالت بهم بخورد وبلور از حالت پایداری الکتریکی خارج شود و الکترون اضافی را به صورت الکیریسیته ازاد کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث به هم خوردن سطح شش گوش می شود وبنابر این فشاری در بلور ایجاد میشود از این ویزگی استفاده های بهنهایت زیاد در تکنولوزی شده است که ساده ترین ان ساعت دست شما ترازوی مغازه ها و و از همه واضح تر احساس فشاری است که شما از وارد امدن یک جسم بر بدن خود دارید که الکتریسیته حاصل از فشار را به مغز شما می رساند به مارماهی توجه کنید که ایجاد فشار بر بدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای می شود که می تواند حتی انسان را بکشد درباره خاصیت پیزوالکتریسیته کوارتز در کتب کانی شناسی و کریستالوگرافی مطالب کافی نوشته شده است انچه امروز تکنولوزی به دنبال ان است پیدا کردن مواد ارزان سنتتیک با همان ویزگیهای پیزو الکتریسیته برای مطالعه بیشتر سری انتشارات دانشنامه مواد زیر چاپ
بسیاری از پلیمرها و سرامیکها و ملکولها مانند آب بطور دائمی قطبی می باشند و بخشی از این ملکولها دارای قطب مثبت و سمت دیگر آنها قطب منفی می باشد هنگامیکه به این مواد قطبی تحت تاثیر یک منبع الکتریکی واقع می شوند عناصر قطبی انها خود را با جهت الکتریکی منبع مزبور هماهنگ می کنند و با قطع ولتاژ تحریک کننده این خاصیت را از دست می دهند در این میان مواد پیزو الکتریک مانند بلور کوارتز و یا تیتانیت باریم در پی تحریکی که باعث تغییر در مختصات ذرات قطبی شده شروع به ایجاد یک ولتاژ الکتریکی می کنند در نتیجه : خاصیت پیزو الکتریسیته هنگامی به ظهور می رسد که بلور تحت تاثیر یک فشار مکانیکی قرار بگیرد و در این زمان قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا مانند کوارتز و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد از این خاصیت در ساخت وسائلی مانند میکروفونها و فونوگرافها و در فیلتر سازی امواج در تلفن ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
در بازار اقتصادی سرامیک های نوین، سرامیک های الکتریکی یکی از جاافتاده ترین بازارهای موجود است. علاوه بر گسترش زمینه های مصارف قبلی، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزوالکتریک ها و خصوصاً پیزوسرامیک ها اخیراً وارد آن حیطه ها شده اند. با توجه به مطالب ارائه شده و نقش تعیین کننده ی این نوع قطعات در صنایع مختلف و در راستای گام نهادن در مسیر خودباوری و خوداتکایی و دستیابی به دانش روز، چنین به نظر می رسد که اهمیت و ضرورت پایه گذاری صنایع الکتروسرامیک ها و از جمله پیزوالکتریک در کشور، امری روشن، واضح و قابل درک است
جهت دستیابی به اطلاعات اولیه و کسب آمارهای موجود به مراکز متعددی مراجعه شد. نوع، کمیت و ارزش اقتصادی نیازهای داخلی در زمینه ی پیزوالکتریک و پیروالکتریک و مشخص نمودن زمینه های تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران، زمینه های تحقیقاتی در ایران، شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد. برآورد و تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیروالکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد
در ابتدا، به مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژی های نوین در جهان و نقش آن در توسعه ی تمدن بشری اشاره ای شد. آن گاه جایگاه پیزوالکتریک ها و پیروالکتریک ها همراه تاریخچه، انواع، تئوری، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید. در مرحله ی دوم، به جمع آوری اطلاعات و آمار در داخل و خارج از کشور پرداخته و ارائه و تجزیه و تحلیل آن ها صورت گرفت. و در ادامه، شناسایی مراکز مهم علمی – اقتصادی در جهان صورت گرفت. در مرحله ی سوم، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیش تر ارزیابی گردید
کاربرد پیزوالکتریک ها رده های محتلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتاب سنج …)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسک های صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و …)

3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک
4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقه زن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی و خانگی،
بیوسنسورها و…
بررسی های به عمل آمده نشان داده است که از بازار 200 میلیارد دلاری سرامیک ها در جهان، حدود یک سوم آن یعنی حدود 63 میلیارد دلار، مربوط به سرامیک های پیش رفته است. در بازار اقتصادی سرامیک های نوین، سرامیک های الکتریکی (که شامل پیزو و پیروالکتریک ها هم می شود) یکی از جاافتاده ترین بازارهای موجود است. آمارهای موجود نشان می دهد که بازار مواد پیزو و پیروالکتریکی در جهان، تقریباً 11 میلیارد دلار (در سال های 2001-2000) بوده است رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش.
زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار میگیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس مینامند.
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.
ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثالهایی از مواد پیزوالکتریک هستند.
پیزوالکتریک Piezoelectric خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند تحقیقات نشان می دهند که اگر پاندول درون یک زنگوله به شکل یک بلور کوارتز ساخته شود و به حرکت درآید و به اصطلاح زنگوله به صدا در بیاید، برای یک دقیقه زنگ خواهد زد حقیقت این امر در اینست که تقریبا هیچ انرژی در این ماده تلف نخواهد شد در صورتیکه محورهای یک زنگ کوارتز دقیقا منطبق با محورهای تک بلور کوارتز باشد، دارای ولتاژ نوسانی در سطح خود خواهد بود جالبتر اینکه میزان این ولتاژ و نوسان آن هیچ ربطی به دما نخواهد داشت.
در بلورها پراکندگی و فاصله اجزا ? دارای نظم هندسی ویژه ای است که معمولا" در تمام جهتها یکسان نیست برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آنها در همه جهتها یکسان است از این رو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین ? مانند رسانایی گرمایی ? انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز در همه جهتها یکسان است به این جامدهای غیر بلورین همسانگرد ایزوتروپ می گویند چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهتهای مختلف متفاوت است به آنها ناهمسانگرد آن ایزوتروپ می گویند تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می شوند مانند اجسام غیر بلورین عمل می کنند چون در سه جهت فضایی دارای ابعاد مساوی هستند پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می شود ? که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می کند به این پدیده پیزوالکتریک می گویند گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می کند و سبب می شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم بلورها به تناوب منبسط و منقبض می شوند و بر اثر ارتعاش ? صوت تولید می کنند از این خاصیت برای تولید صوت ? ماورای صوت ? نوسانهای الکتریکی ? ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می شود بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ? سیلیسیم و کربن خاصیت نیمه رسانایی دارند و تا اندازه ای جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند اگر بلورهای نیمه رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم ? مقاومت الکتریکی آنها کم می شود و الکتریسیته را بهتر عبور می دهد نیمه رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات به صورت دیود و ترانزیستور و قطعه های دیگر الکترو نیکی به کار می روند دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب به کار می رود ترانزیستور از سه قطعه بلور نیمه رسانا تشکیل می شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب به کار می رود.
پیزوالکتریسیته خاصیتی است در مواد بلوری که در روند ان فشار وارد شده بر بلور ایجاد الکتریسته می کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث ایجاد فشار می شود دلیل این امر در بلور کوارتز با فرمول SIO2 ان است که در حالت معمولی ودر حالتی معین از بلور کوارتز شش گوشی تشکیل می شود که گوشه های ان به صورت یک در میان با یون اکسیزن و سیلیس اشغال شده است این شش گوش بدون اعمال فشار در حالت ایستایی الکتریکی است ولی فشار باعث می شود که این حالت بهم بخورد وبلور از حالت پایداری الکتریکی خارج شود و الکترون اضافی را به صورت الکیریسیته ازاد کند و به عکس اعمال الکتریسیته باعث به هم خوردن سطح شش گوش می شود وبنابر این فشاری در بلور ایجاد میشود از این ویزگی استفاده های بهنهایت زیاد در تکنولوزی شده است که ساده ترین ان ساعت دست شما ترازوی مغازه ها و و از همه واضح تر احساس فشاری است که شما از وارد امدن یک جسم بر بدن خود دارید که الکتریسیته حاصل از فشار را به مغز شما می رساند به مارماهی توجه کنید که ایجاد فشار بر بدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای می شود که می تواند حتی انسان را بکشد درباره خاصیت پیزوالکتریسیته کوارتز در کتب کانی شناسی و کریستالوگرافی مطالب کافی نوشته شده است انچه امروز تکنولوزی به دنبال ان است پیدا کردن مواد ارزان سنتتیک با همان ویزگیهای پیزو الکتریسیته برای مطالعه بیشتر سری انتشارات دانشنامه مواد زیر چاپ بخش مربوط به سیلیس می تواند راهنمای شما باشد
بسیاری از پلیمرها و سرامیکها و ملکولها مانند آب بطور دائمی قطبی می باشند و بخشی از این ملکولها دارای قطب مثبت و سمت دیگر آنها قطب منفی می باشد هنگامیکه به این مواد قطبی تحت تاثیر یک منبع الکتریکی واقع می شوند عناصر قطبی انها خود را با جهت الکتریکی منبع مزبور هماهنگ می کنند و با قطع ولتاژ تحریک کننده این خاصیت را از دست می دهند در این میان مواد پیزو الکتریک مانند بلور کوارتز و یا تیتانیت باریم در پی تحریکی که باعث تغییر در مختصات ذرات قطبی شده شروع به ایجاد یک ولتاژ الکتریکی می کنند در نتیجه : خاصیت پیزو الکتریسیته هنگامی به ظهور می رسد که بلور تحت تاثیر یک فشار مکانیکی قرار بگیرد و در این زمان قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا مانند کوارتز و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد از این خاصیت در ساخت وسائلی مانند میکروفونها و فونوگرافها و در فیلتر سازی امواج در تلفن ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
در بازار اقتصادی سرامیکهای نوین، سرامیکهای الکتریکی یکی از جاافتادهترین بازارهای موجود است. علاوه بر گسترش زمینههای مصارف قبلی، مصارف جدید مربوط به کاربردهایی است که پیزوالکتریکها و خصوصاً پیزوسرامیکها اخیراً وارد آن حیطهها شدهاند. با توجه به مطالب ارائه شده و نقش تعیینکنندهی این نوع قطعات در صنایع مختلف و در راستای گام نهادن در مسیر خودباوری و خوداتکایی و دستیابی به دانش روز، چنین به نظر میرسد که اهمیت و ضرورت پایهگذاری صنایع الکتروسرامیکها و از جمله پیزوالکتریک در کشور، امری روشن، واضح و قابل درک است
جهت دستیابی به اطلاعات اولیه و کسب آمارهای موجود به مراکز متعددی مراجعه شد. نوع، کمیت و ارزش اقتصادی نیازهای داخلی در زمینهی پیزوالکتریک و پیروالکتریک و مشخص نمودن زمینههای تکنولوژی و تولید صنعتی آن در ایران، زمینههای تحقیقاتی در ایران، شناخت متخصصان ایرانی در داخل و خارج از کشور و در ادامه آمار واردات و صادرات (تولید و مصرف) در ایران تحلیل شد. برآورد و تخمین نیازهای داخلی (نیازهای فعلی تا سال 1400 هجری شمسی) نشان داد که نیاز داخلی تا سال 1400 حدود 40 میلیون قطعه پیزو و پیروالکتریک است و باید اقدام لازم در این خصوص صورت گیرد
در ابتدا، به مواد جدید به عنوان اساس تکنولوژیهای نوین در جهان و نقش آن در توسعهی تمدن بشری اشارهای شد. آن گاه جایگاه پیزوالکتریکها و پیروالکتریکها همراه تاریخچه، انواع، تئوری، خواص و کلیات کاربردی بررسی گردید. در مرحلهی دوم، به جمع آوری اطلاعات و آمار در داخل و خارج از کشور پرداخته و ارائه و تجزیه و تحلیل آنها صورت گرفت. و در ادامه، شناسایی مراکز مهم علمی – اقتصادی در جهان صورت گرفت. در مرحلهی سوم، بررسی وضعیت داخلی با جزئیات بیشتر ارزیابی گردید

کاربرد پیزوالکتریکها ردههای محتلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتابسنج ..
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسکهای صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و ..
3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک
4- در تولید ولتاژ و جرقه با ولتاژ بالا (جرقهزن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی و خانگی، بیوسنسورها و….
بررسیهای به عمل آمده نشان داده است که از بازار 200 میلیارد دلاری سرامیکها در جهان، حدود یک سوم آن یعنی حدود 63 میلیارد دلار، مربوط به سرامیکهای پیشرفته است. در بازار اقتصادی سرامیکهای نوین، سرامیکهای الکتریکی (که شامل پیزو و پیروالکتریکها هم میشود) یکی از جاافتادهترین بازارهای موجود است. آمارهای موجود نشان میدهد که بازار مواد پیزو و پیروالکتریکی در جهان، تقریباً 11 میلیارد دلار (در سالهای 2001-2000) بوده است
اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ میدهد و به ارتعاش در میآید.
سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی مواد میباشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ، پییر و ژاک کوری ، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند مواد پیزو الکترکی نامیده میشوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلور در تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامد تیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی مادهای پیزو الکترکی تحت تاثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار میگیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر میشود. این بار به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن میانجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو میشویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثر مستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید میشود، بار تولید شده نیز از بین میرود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه میشود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو میشویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکترکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر مادهای با ثابت پیزوالکتریکی آن d مشخص میشود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکی k است. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک
اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیر مستقیم در دریاچهها مورد بهره برداری قرار میگیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزو الکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها ، میکروفونها) یا در آب استفاده میشود. در سونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده میکنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz) در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار میرود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواج فراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، میتوان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیز بهره گیری میشود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده میشود. امواج فراصوتی سطحی در مواد پیزوالکتریک را در پردازندههای سیگنال قیاسی ، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار میگیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرار میگیرند.
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد
اثر پیزو الکتریک با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل میشود، این پدیده در موادی رخ میدهد که ساختار بلوری آنها نامتقارن است. در بعضی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو میشویم که نتیجهای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنشی مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور ، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارنند. بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریسیته از خود بروز میدهند. ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی نغییر کند میدان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر میکند و بار روی الکترود تغییر میکند. این فاصله را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی تغییر داد که به پیدایش کرنشی مکانیکی منجر میشود.
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز میدهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهند شد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر میکنند. این دما را نقطه کوری مینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک مییابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور
اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشود. کوارتز یکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن d = 2.3X10-12 و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ، شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلور هستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابستهاند جهات مشخصی دارند.
در مواد بس دانهای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانههای متفاوت بطور گستردهای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی میکنند، مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجاد شده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسو شوند.

انواع اندازه گیری فشار
سنسورهای فشار می توانند براساس بازه اندازه گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه گیری طبقه بندی شوند. با توجه به نوع فشار، فشار سنج ها، به ۵ دسته طبقه بندی می شوند:
سنسور فشار مطلق
این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.
سنسور فشار گیج Gauge
این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می شود زیرا می تواند برای اندازه گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار ۰ psi را می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

• سنسور فشار خلا
این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا.
• سنسور فشار تفاضلی
این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.
• سنسور فشار مهرشده(sealed)
این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.
• تکنولوژی حس کردن فشار
دسته بندی اساسی برای سنسورهای آنالوگ فشار وجود دارد: انواع جمع کننده نیرو: این نوع از سنسورهای فشار الکترونیکی عموما از یک جمع کننده نیرو استفاده می کنند.(مانند دیافراگم، پیستون، لوله بوردونی) تا کشش را بر اساس نیروی اعمالی و فشار بر سطح اندازه بگیرد.
• گیج های کشش پیزو رزیستور
از اثر پیزو رزیستور گیج های کشش قرارداده شده بر روی تکیه گاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. انواع تکنولوژی های معمول سیلیکن (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلی سیلیکن، ورق فلز قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم . عموما گیج های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می یابند تا خروجی سنسور را حداکثر کنند. این معمول ترین تکنولوژی به کار گرفته شده برای اهداف عمومی اندازه گیری فشار است. این تکنولوژی ها با اندازه گیری فشار مطلق، گیج، خلا و فشار تفاضلی وفق داده می شوند.
• خازنی
از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند. تکنولوژی های معمولی از فلز، سرامیک و دیافراگم های سیلیکنی استفاده می کنند. این تکنولوژی ها برای فشارهای کم کاربرد دارند. ( مطلق، تفاضلی و گیج) در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می شود که باعث می شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود. بنابراین ظرفیت خازن تغییر می کند که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل به سیگنال الکتریکی می شود که در واحدهای فشار کالیبره شده است.
• الکترومغناطیسی
جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال و یا قانون جریان ادی اندازه گیری می شود. سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲-۵ دارای دو سیم پیچی می باشد که با یک هسته مغناطیسی کوپل شده اند. هنگامی که فشار اعمال شده دیافراگم را حرکت دهد، این هسته جابجا می شود. خاصیت القایی توسط مدارهای الکترونیکی مانند مدارهای رزونانس اندازه گیری می شود.
• پیزو الکتریک
از اثر پیزو الکتریک در مواد معین همانند کوارتز استفاده می کند تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. این تکنولوژی برای اندازه گیری فشارهای پویا استفاده می شود. انواعی از کریستال ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم فلزی متصل است . یک سمت دیافراگم برای اندازه گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می باشد و سمت دیگر دیافراگم به طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد (در محدوده میکرو ولت) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود. به منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت کننده باید در نزدیکی سنسور نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می کند. تغییرات دما کریستال را تحت تاثیر قرار می دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد.
• نوری
از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. به عنوان مثال درFiber Bragg Grating از این تکنولوژی استفاده می شود. این تکنولوژی در کاربردهایی که با چالش همراه هستند استفاده می شود. برای مثال در مکان های غیر قابل دسترس، دماهای بالا و یا در تکنولوژی های ذاتا مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه گیری های راه دور.
• پتانسیومتری
از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. انواع دیگر این انواع سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر ( مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می کنند.
• رزونانس
اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می شود. برای استفاده از این تکنولوژی می توان از ابزار "جمع کننده نیرو" مانند موارد ذکر شده در بالا استفاده کرد. هم چنین می توان عنصر رزونانس کننده را به طور مستقیم در معرض ماده قرار داد . در این صورت نیز فرکانس نوسان وابسته به چگالی ماده می باشد. سنسورها از سیم های نوسان کننده، تیوب های نوسان کننده، کوارتز، و سیستم های میکرو الکترو_مکانیکی (MEMS) ساخته می شوند.در کل مشخصه این تکنولوژی، خروجی پایدار آن است.
• دما
با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می کند و به دنبال آن، گذردهی گرمایی آن تغییر می کند. نمونه رایج این سنسورها، گیج های "پیرانی" هستند.
• یونیزاسیون
با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می کند و به دنبال آن، جریان یون های موجود در آن تغییر می کند. نمونه های رایج این نوع سنسور، گیج های کاتد سرد و کاتد گرم است.
راه های دیگر نیز برای استنتاج فشار از طریق چگالی وجود دارد.(سرعت صوت، جرم، ضریب شکست)
کاربردها: سنسورهای فشار کاربردهای زیادی دارند از جمله:
• اندازه گیری فشار
این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن ها فشار کارایی دارد به کار می رود.
• اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن های هواشناسی و غیره می باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود. این معادله، برای ارتفاع سنجی تا ارتفاع ۳۶.۰۹۰ فوت (۱۱.۰۰۰ متر) تنظیم شده است. در خارج از این بازه، شاهد خطا خواهیم بود. این خطا را می توان برای سنسورهای فشار مختلف محاسبه کرد. عامل این خطا، تغییرات ناشی از دما درارتفاعات بالاتر می باشد. ارتفاع سنج هایی با سنسور فشار تفکیک پذیری کمتر از ۱ متر دارند و تفکیک پذیری آن ها بهتر از نوع ارتفاع سنجی با سیستم GPS ( که دارای تفکیک پذیری ارتفاع ۲۰ مترمی باشد) است. در کاربردهای موقعیت یابی، برای تشخیص جاده های تپه ای (برای موقعیت یابی اتومبیل) و یا ارتفاع طبقات ساختمان ها (برای موقعیت یابی فرد پیاده) استفاده می شود.
• اندازه گیری جریان
می توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتا کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.

• اندازه گیری ارتفاع / عمق
می توان از سنسور فشار برای ندازه گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد. معمولا از این تکنیک برای اندازه گیری مکان جسم غوطه ور در آب (مانند غواص ها، زیر دریایی ها) و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می شود. برای بیشتر کاربردهای عملی، سطح مایع متناسب با فشار است. در مواردی مانند "آب شیرین" که زیر فشار اتمسفر می باشد داریم:
۱psi =۲۷.۷ in H۲O
۱pa = ۹.۸۱ mm H۲O
معادله اصلی برای این اندازه گیری معادله زیر است:
P=ρ*g*h
p= فشار
ρ=چگالی مایع
g=گرانش
h=فشار سنسور بالای مایع ستون ارتفاع
• آزمایش نشتی
می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان نیروسنج وسیله ای است برای اندازه گیری نیرو، گشتاور یک نیرو (لنگر)، یا توان. مانند توان تولید شده توسط یک موتور الکتریکی یا ماشین گرمایی.
حسگرهای پیزو الکتریک
پیزوالکتریک چیست؟
پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می شود (مخصوصاً در کریستال ها، بعضی سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی)
اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می شود.
اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می کنند.
به عنوان مثال سرامیک های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار
اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه ی قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده ی رفتار الکتریکی ماده است.
سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیک ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت های مختلف با هم مخلوط می شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می توان پیزوسرامیک ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل های کوچک، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات و در بخش پزشکی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین ، تفنگ های لیزری، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، پاک کننده های دندانی، پمپ های IV ،پمپ های قلب و مبدل های کوچک در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب امروزه تحقیقات بزرگ و پیشرفت های عظیم بر پایه محاسبات جزیی و دقیق مهندسی بنا شده است. پایه این محاسبات ، اندازه گیری های دقیقی است که می بایست انجام شود.

در دنـیـــای امـــروز ایـــن انــدزه گـیــری هــا بــه روش هــای مــدرن و بــا دستگـاه هـای پیشـرفتـه مهندسی انجام می شود. اندازه گیری در حقیقت بـه مـعـنـای پروسه مشخص کردن یا پیدا کردن انــدازه، زاویـه یـا در کـل کـمـیـت اسـت. وسـایـل انــدازه گـیـری وسـایلـی هستنـد کـه کمیـت هـای اندازه گیری را به اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کنند. یکی از این وسایل اندازه گیری سنسورهای پیزوالکتریک هستند که برای سنس کـردن تـغـیـیـرات بـسـیـار جـزئـی به کار می آیند. پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف شد و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می شود. اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها ، الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. این سنسورها کاربردهای گسترده ای از صنعت خودرو سازی تا اندازه گیری فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب دارند.

ساختار
همانطور که گفته شد سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. این جابجایی بارهای الکتریکی را در شبکه اتمی یک کریستال پیزوالکتریک طبیعی، در پاسخ گویی به فشار را می توان در شکل 1 مشاهده می شود. دایره های بزرگ نشان دهنده اتم های سیلیکون هستند. در حالی که دایره های کوچک، نشان دهنده اتم های اکسیژن هستند. کوارتز کریستالی ، هم نـوع کریستال طبیعی یا کیفیت بالا و هم نوع تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزو الکتریک مورد دسترس، حساس و پایدار هستند.
عـلاوه بـر کـریستـال های کوارتز می توان، PCB های طراحی شده با به کارگیری تکنولوژی انسانی، پلی کریستال ها و پیزو سرامیک ها را نام برد. این مواد با کاربرد میدان الکتریکی گسترده ای، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبدیل به مواد پیزوالکتریک شوند، یــک خــروجــی high-voltage قــوی را تــولیـد مـی کنـد. ایـن ویـژگـی بـرای استفـاده در سیستم های اندازه گیری کم نویز، یک ویژگی بسیار ایده آل است.
با ارزش سختی یکسان نسبت به Psi 6E15 ، که مشابه بسیاری از فلزات است، مواد پیزوالکتریک خروجی های بالا را به وسیله کرنش های کوچک کاهش می دهند. به عبارت دیگر، مواد پیزوالکتریک موادی را سنجش می کنند که ضرورتا شکست و انکسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. این به این دلیل است که سنسورهای پیزوالکتریک بسیار قوی هستند و این ویژگی عالی، یک رابطه خطی با میدان گسترده نوسان دارد. در حقیقت، وقتی سیگنال مناسب طراحی شده به طور صحیح به هم بپیـونـدنـد، سنسـورهـای پیـزوالکتـریـک دارای یـک محـدوده نـوسـان پـویـا (برای مثال، محدوده اندازه گیری نسبت به نویز) دارند. نکته مهم نهایی درباره مواد پیزوالکتریک این است که آن ها تنها می توانند اتفاقات پویا و در حال تغییر را اندازه بگیرند. سنسورهای پیزوالکتریک قادر به اندازه گیری حوادث استاتیک پیوسته مانند: سیستم داخلی هدایت موشک، فشار هوا و اندازه گیری وزن نیستند، در حالی که حوادث استاتیک دلیل اولیه خروجی هستند؛ این سیگنال به آهستگی ضعیف شده، بر اساس مواد پیزوالکتریک یا متعلق به الکترونیک زمان ثابت است. این بار ثابت مطابق با مرتبه اول فیلتر بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. این فیلتر بالا گذر در نهایت تعیین کننده فرکانس قطع پائین یا اندازه گیری سطح دستگاه می شود.
دو نمونه از مواد پیزوالکتریک
پیزوالکتریک (PZT):
حساسیت شارژ بالا
کوارتز:پایدار، پیزوالکتریک نشده
حساسیت شارژ پائین، اما حساسیت ولتاژ بالا

تئوری و مدل سازی تئوری پایه ای که پشت پیزوالکتریسیته وجود دارد براساس دوقطبی الکتریکی است. در سطح ملکولی، ساختار مواد پیزوالکتریک به طور معمول، پیوند یونی کریستال است. در نتیجه دو قطبی ها به وسیله ی یون های مثبت و منفی که همدیگر را خنثی می کنند و به علت تقارن، ساختار کریستال تشکیل می شود و میدان الکتریکی مشاهده نمی شود. وقتی تنش وارد می شود، کریستال تغییر شکل می دهد، تقارن از دست رفته و شبکه دو قطبی در یک لحظه تشکیل می شود. این دو قطبی لحظه ای یک میدان الکتریکی در راستای کریستال تشکیل می دهد.
در این روش، تولید شارژ الکتریکی توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نیروی رفت و برگشتی اعمال شود، ولتاژ AC در ترمینال دستگاه مشاهده می شود. سنسورهای نیروی الکتریک برای کاربردهای DC و استاتیک مناسب نیستند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـی سنسـور و امپـدانـس ورودی تـوسـط مـدار سـیـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـیــدا مــی کـنــد.بــا ایــن حـال، آن هـا بـرای کاربردهای دینامیک و AC مناسب هستند.
یک سنسور پیزوالکتریک به عنوان یک منبع شارژ با یک خازن موازی و مقاومت، و یا به عنوان منبـع با یک خازن سری و مقاومت، مدل شده اســــت. ایــــن مــــدل هـــا در شـکـــل 3 هـمـــراه بـــا عــلامـت هـای شـمـاتـیـک رایـج نـشـان داده شـده اســـت. شـــارژ تــولـیــد شــده بـسـتـگــی بــه ثــابــت پیـزوالکتـریـک دستگـاه دارد. ظـرفیـت خازن به وســیــلــــه مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دی الکتریک مواد تعیین می شود. همانطور که قبلا ذکر شد محاسبه مقاومت برای اتلاف شارژ استاتیک است.
نمایش یک نیروی معمولی، فشار و سنسور شتاب در شکل 4 نشان داده شده است. الکترود سـیـاه جایی است که شارژ بلورها در آن مکان انـبـاشـتـه مـی شـود مـدار مـیکرو و شتاب سنج، همچنین دارای جرم است توجه داشته باشید که آن ها تفاوت خیلی کوچکی در تنظیمات داخلی دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا کــه حــرکــت را انـدازه گـیـری مـی کـنند، جرم ثابت،M ""، توسط کریستال ها، به سادگی و با استفاده از قانون دوم نـیـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA. فـشـار و نیروی سنسورها تقریبا ً یکسان است و متکی بر تغییر شکل نیروی خارجی کریستال ها است. تفاوت بزرگ این است سنسورهای فشار برای جمع کردن فشار یک دیافراگم به کار می برند، که بـه سـادگی توسط نیروی خارج از محیط وارد می شود.

سیگنال مناسب بعد از اینکه عنصر حسگر، خروجی احتمالا مطلوب را تولید کرد، این سیگنال باید به گونه ای پردازش شود تا بتوان آن را توسط اسیلسکوپ، آنــالـیــز کـنـنــده، رکــوردر و ســایـر دستگـاه هـای بازخوان تحلیل کرد. همانطوری که در شکل 5 مشاهده می شود، این پردازش سیگنال می تواند به وسیله دو روش مختلف انجام شود:
1.داخلی توسط سنسور مدار میکروالکترونیک (ICP)
2.خارجی توسط سنسور داخل "جعبه سیاه (Charge Mode)
ایـن مـدارات پـردازش آنـالـوگ، بـرای تـوابـع عمـومـی مشـابهـی مـورد استفـاده قرار می گیرند که شامل موارد زیر است
1.قابل تبدیل به یک امپدانس پائین، سیگنال ولتاژ مفید باشد.
2.تقویت سیگنال و تضعیف سیگنال
3.فیلترکردن
با این حال نکته قابل توجه این است که نحوه قرارگیری مدارات در سیستم های اندازه گیری برای عملیات صحیح محاسباتی، مهم باشد.

در اینجابه بررسی سنسور ICP می پردازیم. پیشرفت های فنی گسترده این روش در سال 1967 روی داده است، که عبارتند از؛ کوچکتر شدن مدارها، کاهش قیمت اجزا و افـرایـش ظـرفیـت سیگنـال پـردازش یافته که نهایتا منجر به ایجاد مدارهای یکپارچه مینیاتوری و مقاومت های micro hi megمی شود. حتی با این پیشرفت ها، هدف اصلی این ایده، که سادگی و سهولت استفاده آن بوده است ،پیشرفت چندانی نداشت. این سیستم از دو سیم استفاده می کند. هادی مشترک برای قدرت/ سیگنال و هادی های اضافی برای سیگنال زمین. شارژ مینیاتوری یا تقویت کننده های ولتاژکه در داخل مدار ساخته شده اند. بستگی به نوع عنصر حسگر دارند. قدرت این قطعات معمولا از 30-17 ولت ،2 میلی آمپر جریان ثابت می آید. گذشته از قیمت، راحتی یا ویژگی، هیچ مزیت فنی از داشتن یک منبع جریان ثابت، که به صورت خارجی یا د اخلی در یک دستگاه بازخوان است، وجود ندارد. جزئیات شماتیک سیستم در شکل 6 نشان داده شده است.

ویژگی این سیستم شامل: (1) میکروالکترونیک هایی که برای تولید امپدانس کم ساخته شده است. (2) تنها نیاز ساده به یک تصحیح کننده برای استفاده مداوم جریان ثابت سیگنال مناسب، که منجر به کاهش هزینه درهر کانال می شود.(3) قادر بودن سیگنال برای انتقال از طریق کابل های بلند،در میان محیط های خشن ،بدون از دست دادن کیفیت سیگنال. (4)دمای عملیاتی مدار که معمولا محدود بهc121 است. (5) کار کردن به وسیله دو هادی هم محور یا یک جفت سیم پیچ خورده و (6) ویژگی های سنسور (حساسیت و محدودیت فرکانس) به وسیله سنسور ثابت شده و مستقل از ولتاژ تغذیه می شوند.
سنسـورهـای حـالـت شـارژ بـا استفـاده از همـان سـاختـار حسگـر مکانیکی به عنوان سنسورهای سنسورهای ICP عمل می کند. با این حال پردازش الکترونیکی سیگنال در خارج قرار داده شده است. این سیستم های شارژ اغلب به سختی به طور صحیح عمل می کنند و به صورت سنتی پرهزینه است. که در نتیجه به صورت تقویت کننده شارژ خارجی پیچیده است (به صورت جایگزین پایین آوردن هزینه ها در خط دستگاه رایج تر است.) امروزه سیستم های حالت شارژ معمولا فقط در محیط هایی استفاده می شوند که دما، استفاده از سنسورها با الکترونیک ساخته شده در داخل را منع می کند. آن طور که یک نفر ممکن است انتطار داشته باشد، سیستم های حالت شارژ مزایا و معایب مختلفی دارند که عبارتند از :
1.خروجی های سنسور یک سیگنال امپدانس بالا است که برای آنالیز کردن نیازبه پیش- تصحیح سازی دارد.
2.نیـاز بـه اصـلاح کننـده سیگنـال خـارجـی (آزمـایشگـاه تقـویـت کننـده شـارژ، منبع هدایت کننده خطی و غیره…)
3.سیگنال امپدانس بالا دارای این پتانسیل است که به وسیله حرکت کابل ها ، تداخل فرکانس رادیویی و سیگنال های الکترو مغناطیس، آلودگی را به محیط منتقل می کند.
4.تــا زمــانــی کــه قـسـمــت هـای الکتـرونیکـی بـه صـورت خـارجـی هـسـتـند، مدل های معین، توانایی عمل کردن در دمای 1000F را دارند.
5.نـیـاز بـه کـابل کشی مخصوص با نویز کم دارند.
6.ویژگی های سنسور ( حساسیت ومحدوده فـرکـانـس) مـتـغـیـر هـسـتـنـد و مـی تـوانـنـد وسیله تـعـویـض قـطـعـات در تـصـحـیـح کـنـنده سیگنال خارجی، محدود شود.
مناسب سازی سیگنال
ولـتاژهای معمولی خروجی از سنسورهای پیزوالکتریک می تواند از میکرو ولت ها تا صدها ولت باشد و مدار سیگنال نیازمند تفاوت قابل ملاحظه ای باشد. مواردی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:
فرکانس عملیاتی
دامنه سیگنال
امپدانس ورودی
نحوه عملکرد
فرایند تولید
فـرایـنـد سـاخـت پـیـزوسـرامـیـک هـا شامل 16 مرحله است که با وزن کردن، مخلوط کردن و آسـیـاب کـردن مـوادی مـانـنـد زیـرکـونـیا، اکسید سرب، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شــروع مــی شـونـد. سـپـس مـواد مـخـلـوط شـده کلسینه شده و واکنش انجام می دهند تا ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شود. ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شده که دارای مقداری رطوبت است به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب می شود. سپس چسب ها و روان سازها افـــزوده مـــی شـــونــد و مــاده بــه دســت آمــده در اسپـریـدرایـر خشـک می شود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود.
بعـد از آمـاده سـازی مـواد اولیه، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته می شود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین 6 تا 100 تن است. اجزا شکل داده شده در دمای 1300 درجه فارنهایت در شرایط کنترل شـده اتمسفـری پخـت بیسکـویـت مـی شـوند تا چسـب هـا و روان کننـده هـای لازم بـرای عمـل شکل دهی در این مرحله سوخته و خارج شود. قـطـعـات بـیـسـکـویـت در بـوتـه های مخصوص "آلومینا بالا" قرار داده شده و برای پخت در دمای بـالا در داخـل کـوره قرار داده می شوند. کوره الکتریکی تا حدود دمای 2300 درجه فانهایت گرم می شود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته می شود (قطعات سرامیکی برای کنترل تـبـخـیـر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا در بوته های آلومینا بالا قرار داده می شوند.)
سپس سرامیک پخته شده با دقت زیادی به اندازه های معین ماشین کاری می شود. بعد از مـرحـلـه انـدازه بـنـدی، قـطعات سرامیک متالیزه می شود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آن هـا نـشـانـده مـی شود. این کار به کمک تکنیک "silk screening" انجام می شود و از الکترودهای نـقـره، طـلا، نیکل یا پلاتینیوم-پالادیوم استفاده مـی شـود. الـکـتـرودهـای مـتالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیم های فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل می شوند و در دمایی در حدود 700 درجه سانتی گراد پخته می شوند.
بعد از این مرحله، نوبت به عمل قطبی کردن قـطـعه های سرامیکی می رسد. در عمل قطبی کردن ولتاژ جریان مستقیم )DC(به سرامیکی که در یک روغن دیا الکتریک گرم شده و مقاوم قرار دارد، اعمال می شود تا دوقطبی های آن در یک سـمـت جـهـت گـیـری کـنـند. قطعات سرامیکی قـطبی شده اکنون پیزوالکتریک هستند. بعد از قـطـبـی کـردن، نـوبـت بـه کـنـتـرل کـیـفی خواص می رسد. قطعات جهت تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمـایـش و بـررسـی مـی شوند. قطعات آزموده شده آماده بسته بندی و ارسال و استفاده هستند.
وسایل اندازه گیری فشار
وسایل بسیاری با مزایا و معایب خاص خود برای اندازه گیری فشار اختراع شده است که با توجه به گستره اندازه گیری ، حساسیت ، پاسخ دینامیکی و هزینه ، طراحی و مشخصات فنی این وسایل با هم فرق می کند . قدیمی ترین وسیله اندازه گیری فشار مانومتر ستون مایع است ( یک لوله عمودی که با جیوه پر شده است ) که توسط توریچلی در ۱۶۴۳میلادی اختراع شد . همچنین مانومتر ستون مایع U شکل نیز توسط کریستان هویگنس در سال ۱۶۶۱ میلادی اختراع گردید .
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از :
هیدرواستاتیکی
پیستونی
ستون مایع
آنروید مکانیکی
هدایت حرارتی
یونیزاسیون
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی :
فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ( مانند مانومتر ستون مایع ) فشار را با نیروی هیدرواستاتیکی که بر واحد سطح در پائینی ترین موقعیت ستون سیالی که درون لوله ( مانومتر ستون مایع ) قرار دارد مقایسه می کند . اندازه گیری فشار به روش هیدرواستاتیکی مستقل از نوع گازی است که اندازه گیری می شود و بنابراین طراحی آن می تواند بگونه ای باشد که بطور خطی عمل نماید و منخنی کالیبراسیون آن بسیار خطی باشد . علیرغم این مزیت ، این قبیل وسایل پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند .
فشار سنجهای پیستونی:
فشارسنجهای نوع پیستونی ،براساس ایجاد توازن بین فشار یک سیال با جرم یک جسم جامد ( مثل وزنه ) یا نیروی کشش فنر کار می کند . نام دیگر این نوع فشارسنجها آزمونگر بارراکد است . معمولاً آزمونگرهای بارراکد از درستی بالایی برخوردار بوده و بعنوان وسیله استاندارد مرجع برای کالیبراسیون سایر وسایل اندازه گیری فشار بکار می رود .

فشار سنجهای ستون مایع :
فشارسنجهای ستون مایع از یک ستون عمودی مایع تشکیل شده که در درون یک لوله که دو انتهای آن در معرض دو فشار مختلف هستند قرار دارد . ستون مایع تا زمانیکه وزنش در تعادل با اختلاف فشار بین دو انتهای لوله بشود ، بالا یا پایین می رود تا تثبیت شود. شکل ساده این نوع مازومترها U شکل است که نصف آن از مایع پرشده است و یک طرف آن به فشار تحت اندازه گیری و طرف دیگر آن به یک فشار مرجع ( مثلاً فشار اتمسفر یا خلاء ) وصل می شود . اختلاف سطح مایع در دو طرف لوله U شکل ، معیاری برای بیان فشار اعمالی به وسیله میباشد. فشار اعمالی بوسیله ستون مایع به ارتفاع h و چگالی ρ از معاادله فشار هیدرواستاتیکی P= ρgh بدست می آید . بنابراین اختلاف فشار بین فشار اعمالی Pa و فشار مربع P0 در لوله U شکل مانومتر ، را می توان از رابطه زیر حساب کرد :
Pa-P0= ρgh
با اینکه در این مانومتر می توان از هر نوع سیالی استفاده کرد ولی استفاده از جیوه بخاطر چگالی بالای آن ( 13.534 g⁄〖cm〗^2 ) و فشار بخار پایین ترجیح داده می شود .
برای اختلاف فشارهای کم و بیشتر از فشار بخار آب ، معمولاً از آب معمولی بعنوان سیال درون مانومتر استفاده می کنند و واحد اندازه گیری متداول آن اینچ آب است . علیرغم اینکه این نوع مانومتر مستقل از نوع گازی هستند که فشار آنها می خواهد اندازه گیری شود و همچنین بسیار خطی عمل می کنند ولی پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند. در اندازه گیری خلاء ، اگر سیال مایع مورد استفاده دارای فشار بخار خیلی بالا باشد ممکن است بخار شده و محیط خلاء راآلوده کند .
وقتی که از این نوع وسایل برای اندازه گیری فشار مایعات استفاده می شود ، یک حلقه پر شده از گاز یا یک سیال سبک بایستی بعنوان ایزوله کننده سیال درون مانومتر و مایع تحت اندازه گیری استفاده شود تا از مخلوط شدن آنها جلوگیری کند .
فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ساده می توانند فشار کم از 100Paتا چند اتمسفر ( تقریباً 1,000,000 Pa ) را اندازه گیری کنند .

فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مکانیکی):
فشارسنجهای آنرویدی براساس خاصیت الاستیکی جزء حسگر فشار که فلزی است کار می کند . در این وسیله هیچگونه سیالی ( مانند مایع در مانومترهای هیدرواستاتیکی ) استفاده نمی شود لذا به آن آنروید ( یعنی بدون سیال ) می گویند . فشارسنجهای آنرویدی را فشارسنجهای مکانیکی نیز می نامند.فشار سنجهای بوردونی و دیافراگمی از دسته فشار سنجهای آنرویدی محسوب میشوند.
این فشارسنجها می توانند فشار مایعات و گازها را اندازه گیری کنند ولی به نوع گازی که فشار آن را اندازه می گیرند وابستگی نداشته و برخلاف مانومترهای هیدرواستاتیکی منجر به آلودگی سیستم تحت اندازه گیری نمی شوند .
جزء حسگر این وسایل می تواند لوله بوردون ، یک دیافراگم ، یک کپسول یا مجموعه ای از شش ها باشد که در پاسخ به فشار تحت اندازه گیری شکل آن تغییر می کند . مقدار تغییر شکل جزء حسگر براثر فشار را می توان توسط یک عقربه که با مکانیزم متحرک به جزء حسگر وصل شده است یا توسط یک مبدل ثانویه مورد قرائت قرار دارد.
در سیستم های مدرن سنجش خلاء ، معمولاً مبدل ثانویه یک خازن متغییر است که با تغییر شکل مکانیکی ، ظرفیت آن تغییر می کند .به فشارسنجهای که با تغییر خازن فشار را نشان می دهند ، فشارسنجهای باراتون می گویند .
فشارسنجهای بوردون
فشارسنجهای بوردونی براساس این اصل کار می کنند که اگر یک لوله تخت تحت فشار تمایل دارد به سطح مقطعی دایره ای تغییر شکل پیدا کند . اگر لوله به صورت شکل C یا مارپیچ باشد، با اعمال فشار و افزایش کشش، کل لوله تمایل به راست شدن شکل خود یا باز شدن مارپیچها پیدا می کند و از این تمایل در تغییر شکل می توان برای اندازه گیری فشار استفاده کرد . در سال 1849 میلادی این اختراع به نام ایگنه بوردن در فرانسه ثبت و به دلیل حساسیت عالی ، عملکرد خطی و درستی آن بطور گسترده ای در حاضر از آن در اندازه گیری فشار استفاده می شود . در 1852 میلادی اشکرافت حق ثبت اختراع بوردن را در آمریکا خریداری کرد و به بزرگترین سازنده فشارسنج تبدیل شد . همچنین در 1849 میلادی برنادر شائفر[10] در ماگدبرگ آلمان فشارسنج دیافراگمی را با موفقیت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنجهای بوردنی انقلابی در اندازه گیری فشار درصنعت بوجود آورد . اما در 1875 میلادی پس از اینکه ثبت اختراع بوردن به پایان رسید، شرکت شائفر و بودنبرگ نیز فشارسنجهای بوردنی را تولید کرد .

در عمل اندازه گیری فشار در فشار سنجهای بوردونی، از طریق یک لوله ته بسته با دیواره نازک که در انتهای باز آن به یک لوله حاوی سیال که فشار آن تحت اندازه گیری است بصورت ثابت شده وصل می شود انجام می گیرد . هر چه فشار بیشتر شود ، قسمت ته بسته لوله بصورت یک قوس (کمان ) حرکت می کند و این حرکت از طریق یک پیوندارتباطی به چرخش چرخ دنده ای منجر می شود و معمولاً این مکانیزم متحرک قابل تنظیم است .
یک چرخ دنده با قطر کوچک نیز که بر روی محور عقربه قرار دارد ، باعث می شود حرکت مکانیزم متحرک به نسبت تعداد دنده های دو چرخ دنده درگیر تقویت شود . برای اینکه این مکانیزم بتواند از طریق تنظیم و کالیبراسیون ، فشار را بدرستی نمایش دهد نیاز به تنظیم درست صفحه مدرج که پشت عقربه قرار می گیرد ، تنظیم موقعیت قرارگیری محور عقربه و تنظیم طول پیوند ارتباطی میباشد.
برای اندازه گیری اختلاف فشار نیز می توان از فشار سنجی که دارای دو لوله بوردون مختلف که بطور مناسبی با هم ارتباط دارند استفاده کرد .
فشارسنجهای بوردنی فشارسنجش یعنی فشار نسبت به فشار اتمسفر را اندازه می گیرند که با فشار مطلق که نسبت به خلاء سنجیده می شود متفاوت است .
معمولاً هنگامیکه فشار تحت اندازه گیری بصورت پالسهای سریع تغییر می کند ، از یک قطعه مکانیکی با یک سوراخ محدود کننده که درون لوله ارتباطی بین فشار تحت اندازه گیری و فشارسنج بوردنی قرار می دهند استفاده می کنند تا از صدمه دیدن و استهلاک چرخ دنده های فشارسنج جلوگیری کنند و همزمان قرائتی از میانگین فشار را در اختیار بگذارند .
همچنین هنگامیکه کل فشارسنج در معرض ارتعاشات مکانیکی باشد ، تمامی اجزاء درونی فشارسنج شامل عقربه و مکانیزم متحرک را با روغن یا گلیسیرین پر می کنند . بطورنوعی فشارسنجهای با کیفیت بالا درستی تا 2 درصد دامنه اندازه گیری و فشارسنجهای مخصوص درستی تا0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه گیری را می توانند برقرار کنند .
فشارسنجهای دیافراگمی
نوع دوم از فشارسنجهای آنرویدی ( مکانیکی ) به فشارسنجهای دیافراگمی معروف است که از خاصیت انحراف و جابجایی یک غشای انعطاف پذیری که دو منطقه با فشارهای مختلف را از هم جدا می کند برای اندازه گیری فشار استفاده می کند .
تغییر شکل یک دیافراگم نازک بستگی به اختلاف فشار بین دو طرف آن دارد . یکی از این طرفها طرف مرجع و طرف دیگر طرفی است که با فشار تحت اندازه گیری در ارتباط است . طرف مرجع می تواندبه فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه گیری شود ، یا به فشار نقطه ای دیگر از فرآیند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه گیری کند یا می تواند پس از خلاء بسته شود یا به فشار مرجعی ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگیرد . میزان تغییر شکل دیافراگم را می توان به روشهای مکانیکی ، نوری یا خازنی اندازه گیری کرد . معمولاً دیافراگم بصورت فلزی یا سرامیکی ساخته می شوند و گستره مفید اندازه گیری آنها از 1Pa به بالاست .

فشار سنج الکترونیکی :
برخی انواع فشار سنجها ی الکترونیکی که در کاربردهای صنعتی بکار گرفته میشوند عبارتند از :
فشار سنج پیزو مقاومتی : فشار مکانیکی اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی شده و فشار اعمال شده اندازه گیری میشود
فشار سنج خازنی : با استفاده از دیافراگم و ایجاد یک خازن متغیر فشار اعمالی را اندازه میگیرد
فشار سنج مغناطیسی: میزان جابجایی دیافراگم منجر به تغییر در اندوکتانس (خاصیت سلفی) LVDT ، اثر هال یا جریان ادی شده و فشار اندازه گیری میشود . LVDT نوعی مبدل الکتریکی (حاوی چندین سیم پیچه سلونوئیدی) است که برای اندازه گیری جابجاییهای خطی بکار گرفته میشود
فشار سنج پیزو الکتریک: از اثر پیزو الکتریک( تغییر ولتاژ خروجی یک ساختار کریستالی در اثر اعمال فشار مکانیکی ) در برخی مواد خاص مانند کریستال کوارتز برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
فشار سنج نوری: از تغییرات فیزیکی بعمل امده برروی فیبر نوری براثر اعمال فشار برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
فشار سنج پتانسیومتری: از حرکت یک لغزنده برروی یک مکانیزم مقاومتی که بطور متناسب با فشار اعمالی به لغزنده بوجود می آیدومنجر به تغییر مقاومت میشود، فشار اندازه گیری میشود
فشار سنج تشدیدی[22]: از تغییر فرکانس نوسان در یک مکانیزم حس کننده فشار برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
فشار سنج هدایت حرارتی
در گازهای واقعی هر چه چگالی گاز ( مثلاً بر اثر افزایش فشار ) بیشتر شود ، توانایی آن در هدایت حرارت افزایش پیدا می کند. لذا از این خاصیت گازها برای اندازه گیری فشار استفاده می شود . در این فشارسنجها یک سیستم فیلامان با جریان الکتریکی گرم می شود سپس دمای فیلامان با یک دماسنج مقاومتی (RTD) اندازه گیری می شود . این دمای اندازه گیری شده به میزان از دست دادن حرارت فیلامان به محیط گاز اطراف خود یا همان هدایت حرارتی گاز بستگی دارد . این نوع دماسنجها به دو نوع دو سیمه و یک سیمه تقسیم میشوند. نوع دو سیمه این فشارسنجها ، از یک سیم پیچ بعنوان گرم کننده و از سیم دیگر که نزدیکی فیلامان گرم کننده قرار دارد برای اندازه گیری دما استفاده می کنند . این سیم ها معمولاً از پلاتین هستند .

نوع یک سیمه این فشارسنجها که به فشارسنج پیرانی معروف است از یک سیم پلاتین که در معرض فشار تحت اندازه گیری است تشکیل شده است. سیم توسط یک جریان الکتریکی گرم شده و توسط گاز اطراف آن خنک می شود . اگر فشار گاز کم شود ( مثلاً با افزایش مقدار خلاء ) ، اثر خنک کنندگی کاهش پیدا می کند و بنابراین دمای تعادل سیم افزایش پیدا می کند و در نتیجه مقاومت سیم که تابعی از دمای آن است تغییر کرده و با اندازه گیری ولتاژ دو سر آن که در اثر عبور جریان مناسب گرم کننده ایجاد می شود ، می توان فشار تحت اندازه گیری را تعیین کرد . این نوع فشارسنج که توسط مارچلو پیرانی اختراع گردید معمولاً برای اندازه گیری خلاء استفاده می شد .

فشارسنج یونیزاسیون
این فشارسنجها ، فشارسنجهای حساسی هستند و برای اندازه گیری فشارهای خیلی کم ( خلاء شدید ) استفاده میشوند . آنها فشار را بطور غیرمستقیم و از طریق یونهای الکتریکی ایجاد شده در اثر بمباران الکترونی گاز اندازه می گیرند . هر چه چگالی گاز کمتر باشد ، یونهای کمتری ایجاد می شوند . گاز میتواند هوای معمولی درون یک محفظه که فشار آن تحت اندازه گیری است و توسط یک پمپ در حال خلاء است باشد.
برای ایجاد الکترونها از پدیده ترمویونیک که در کاتدهای داغ یا کاتدهای سرد بوجود می آید استفاده می کنند . این الکترونها با اتمهای گاز برخورد کرده و یونهای مثبت بوجود می آورند . این یونها توسط یک الکترود جمع کننده که به ولتاژ مناسبی متصل است جذب می شوند .
جریان ایجاد شده در این الکترود جمع کننده ، متناسب با میزان یونیزاسیون گازی است که فشار آن تحت اندازه گیری می باشد. بنابراین اندازه گیری جریان الکترود جمع کننده ، فشارگاز را می تواند تعیین کند .
در مدلهای کاتد داغ ، فیلامانهای داغ شده ، اشعه الکترونی را بوجود می آورند این الکترونها طول فشارسنج را طی کرده و مولکولهای گاز حول خود را یونیزه می کنند . یونهای ایجاد شده توسط یک الکترود با قطب منفی جمع آوری شده و ایجاد جریانی می کند که متناسب با تعداد یونهای ایجاد شده و در نتیجه متناسب با فشار تحت اندازه گیری است .
اصول کار مدل کاتد سرد نیز مشابه کاتد داغ است ، بجز اینکه الکترونها در اثر تخلیه الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا بوجود می آیند .

ادوات اندازی گیری فشار به صورتهای متنوعی عمل می کنند که دراین جا این عملکردها را به طور کلی به سه دسته تقسیم می کنیم :
الف) بر اساس تغییر مکان
ب) بر اساس کشش
ج) بر اساس خاصیت الکتریکی
الف ) تغییر مکان به صورت موقعیت جسمی نسبت به نقطه مرجع آن تعریف می شود که به دو دسته ، تغییر مکان زاویه ای وتغییر مکان خطی تقسیم می شود. تغییر مکان خطی را به صورت موقعیت یک جسم در یک خط مستقیم نسبت به یک نقطه مرجع در نظر میگیرند وتغییر مکان زاویه ای را به صورت زاویه یک جسم نسب به یک نقطه ثابت مد نظر قرار می دهیم .
ب ) اندازه گیری فشار با استفاده از کشش :
متداول ترین وسیله اندازه گیری ، اندازه گیر کشش اتصال _سیم است .حساسه های کشش از فلز ساخته می شوند که به شکل های مختلف (به قطر تقریباً 001/0 اینچ) و یا ورق (به ضخامت حدود 3 میکرومتر) و معمولاً به صورت مارپیچی ساخته می شوند .متداولترین اندازه گیری کشش استرین گیج ها هستند .
ج ) حساسه های فشار پیزو :
بر دو نوع تقسیم می شوند :
فشار پیزوالکتریک : با وارد آمدن فشار بر سطح ماده کریستال انرژی جنبشی وارد شده ، به انرژی الکتریکی (ولتاژ) تبدیل می شود وبا کنترل و پردازش این انرژی ، میزان فشار اندازه گیری می شود .
فشار پیزو مقاومتی : در شکل یک حساسه فشار پیزو مقاومتی مجتمع یکپارچه به عنوان مثالی از کاربرد اثر پیزومقاومتی نشان داده شده است . غشایی بر روی یک زمینه سیلیکانی ایجاد می شود. ضخامت این غشاء می تواند از چند میکرومتر تا میلی متر بسته به فشاری که اندازه گیری می شود تغییر می نماید . این غشاء به عنوان یک دیافراگم داخلی عمل می کند . هنگامیکه این غشاء تغییر شکل داده می شود ، سطح آن کشیده شده و فشرده می شود . در این نقطه مقاومت ها در اثر انتشار و یا تزریق یون جمع می شوند و متناظراً اینها کشیده یا فشرده می شود
یک حسگر فشار با سیگنال خروجی دیجیتال تحت عنوان حسگر فیلیپ- فلاپ NMOS آماری معرفی شده است. شکل ساختار این نوع سنسور را نشان می دهد. در آغاز ساختار فیلیپ- فلاپ در یک حالت ناپایدار قرار دارد. این حالت می تواند توسط دو مقاومت پیزو مقاومتی که به وسیله فشار اندازه گیری شونده تغییر داده می شوند متاثر شود و به پایداری برسد.

سنسورهای فشار پیزو الکتریکی نسبت به سنسورهای پیزو مقاومتی حساس تر و ارزان تر هستند آنها در مقایسه با سنسورهای خازنی ،یک مشخصه پاسخ تقریبا خطی ارائه می کنند همچنین آماده سازی سیگنال ساده تر است.
سنسورهای پیزو مقاومتی که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان بر روی یاقوت کبود(SOS) تولید می شوند،می توانند در درجه حرارت هایی حداثر تا 425 درجه و فشارهایی حداکثر تا 10Pa به کار برده شوند.
سنسور فشار پیزو Siچندگانه در طی زمان های طولانی تر پایدارتر است. محدوده حرارتی عملکرد آن حداکثر تا 200 درجه سانتیگراد توسعه پیدا می کند. رانش حرارتی ولتاژ خروجی می تواند در مقایسه با سیلیکان تک کریستالی به طور قابل ملاحظه ای کاسته شود
سنسورهای سیلیکانی در اندازه گیری فشارتوان وشتاب دارای اهمیت زیادی هستند.تاکنون معمولترین سنسورهائی که برای چنین مواردی بکاربرده شدند براساس اثر پیزو مقاومتی کارکرده اند.مقاومتهائی که در سیلیکان تک کریستالی پخش یا نصب می شوند اثر اندازه گیری شده را نتیجه می دهند . . .
سنسورهای فشار پیزو خازنی نسبت به سنسورهای پیزو مقاومتی حساستر و پایدارتر و کم متاثر نسبت به تغییرات درجه حرارت هستند.با وجود این تولید دومی ساده تر وارزانتر است.سنسورهای پیزو مقاومتی در مقایسه با سنسورهای خازنی یک مشخصه ی پاسخ تقریبا خطی ارائه می کنند.
اثر پیزو مقاومتی
اصطلاح "اثرپیزو مقاومتی" بیانگرتغییر در مقاومت الکتریکی ماده ای است که در معرض یک نیروی مکانیکی همچون کشش یا فشار قرار داده می شود.این پدیده در کریستالهائی که فاقد محورهای قطبی هستند رخ می دهد و به خوبی در نیمه هادی ها دیده می شود.
در طرز نمایش عددی ساده رابطه بین تغییرات نسبی در مقاوم ρ/Δρ (که در آن ρ مقاومت ویژه است)و نیروی مکانیکی اعمال شده توسط رابطه زیر داده می شود:
Δρ⁄ρ=лδ
که در آن л به نام ثابت پیزو مقاومتی است که وابسته به جهت دهی کریستال وشرایط اندازه گیری، برای مثال ثبات حجم، می باشد.
تنها دو نوع اثر پیزو مقاومتی وجود دارد یعنی طولی و عرضی. وجه تمایز در این است که در اثر طولی جریان الکتریکی در جهت نیروی مکانیکی جاری می شود، در حا لی که در نوع عرضی جریان عمود بر آن جاری می گردد.
دو ضریب مختلف وجود دارد که هر دو ضریب تا حد زیادی وابسته به جهت هستند.بنابراین جهت دهی عمدی عناصر مبدل پیزو مقاومتی و وابستگی آنها به جهت دهی کریستال برای کاربردهای تکنیکی که سنسور می تواند برای آن به کار برده شود دارای اهمیت زیادی است.
در عمل مقاومت پیزو غالبا برای عناصری به کار برده شده است که به یک جسم تغییر شکل دهنده به صورت یک مدار مقاومتی اعمال می شود. جسم تغییر شکل دهنده معمولا به فرم یک میله قابل انعطاف به ویژه درسنسورهای توان وشتاب یا به فرم یک دیافراگم مستطیلی یا مدور می باشد.مقاومت ها در نواحی تحت حداکثر نیروی مکانیکی به صورت پل بسته می شوند. به طور کلاسیکی یک وسیله ی سنجش فشار سیمی که از یک فلز مثلا کنستانتان درست می شود به جسم تغییر شکل دهنده متصل می شود. اتصال پل احتیاج به چهار مقاومت حتی الامکان شبیه به هم دارد. به طور ایده ال چنین امری به وسیله تکنیک های میکروالکترونیک عملی می شود که در آن چهار مقاومت در یک نیمه هادی با یک سطح تقویت معین برای مثال سیلیکان تک کریستالی نفوذ داده می شوند.
سنسورهای فشار پیزو مقاومتی
عنصر اندازه گیری کننده یک سنسور فشار پیزو مقاومتی مجتمع یک پارچه را به عنوان مثالی از کاربرد اثر پیزو مقاومتی در نظر بگیرید. غشائی بر روی یک زمینه ی سیلیکانی ایجاد می شود ضخامت این غشاء می تواند از چند میکرومتر تا میلی متر بسته به فشاری که اندازه گیری می شود تغییر نماید. این غشاء به عنوان یک دیافراگم داخلی عمل می کند. هنگامی که این غشاء تغییر شکل داده می شود، سطح آن کشیده و فشرده می شود. در این نقطه مقاومتها در اثر انتشار یا تزریق یون جمع می شوند ومتناظرا اینها کشیده شده و فشرده می شوند. آرایش واقعی این عناصر بر روی این غشاء بستگی به جهت دهی کریستال دارد.
علاوه بر عناصر پیزو مقاومتی، ساده ترین انواع سنسورهای پیزو مقاومتی که برای سالهای متمادی ساخته شده اند داری مقاومتهائی برای متعادل نمودن ولتاژ پل، برای متعادل کردن حساسیت سنسور و برای اندازه گیری درجه حرارت هستند. به این ترتیب تلرانس های ساخت از قبیل عدم تعادل در مقاومتهای پل، تلرانس های غشاء و ماده یا وابستگی های حرارتی جبران می شود.
سنسورهای فشار بر اساس سیلیکان تک کریستالی بخوبی برای کاربردهای زیادی که احتیاج به دقتی بیشتر از 0.5 درصد ندارد مناسب می باشد.
روش بکارگیری
امروزه بسیاری از سازنده گان سنسورهائی را برای فشارهای نامی بین mbar1تا bar 1000درست می کنند. که برای هر دو اندازه گیری فشار مطلق و تفاضلی مناسب هستند و در مقابل بارهای زیاد حساس نیستند. با وجود این هنگامی که فشاراز مقدار مجاز آن فراتر رود آنها به آسانی می شکنند و باید در مقابل گرد و غبارمحافظت شوند.برای استفاده در کاربردهای صنعتی این چیپ در یک محفظه ی ضد هوا با پوشش فلزی فرج دار مهر و موم می شود ودر درون یک لایه روغن قرار داده می شود. حداکثر درجه حرارت عملکرد تقریبا 120 درجه سلسیوس است زیرا در درجه حرارتهای بالاتر عایق بین با تقویت p و عنصر فنری با تقویت n شدیدا خراب می شود.
بسیاری از تولید کنندگان اکنون در حال کار به منظور بهبود دقت این نوع سنسور و کاهش فشار نامی حد پایین هستند. هر دو تکامل تقاضاهای تکنولوژیکی قابل ملاحظه ی را در اختیار سازندگان قرار می دهد.
علاوه برخود سنسور، اشکال سنسور فشار که مورد تقاضای بیشتری هستند شامل سیستم الکترونیکی برای آماده سازی سیگنال هستند. اینها می توانند یا مجزا باشند یا یک شکل مجتمع یکپارچه داشته باشند. مثالی از نوع مجزای به خوبی شناخته شده عبارت از نخستین سنسور فشار موسوم به "باهوش"، ST3000 (Honeywell) می باشد.
از نقطه نظر تکنولوژیکی سنسور فشار Si -چندگانه یک سنسور فشار نسبتا جدید و جالب است که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان بر روی عایق (SOI) ساخته می شود. در اصل این یک تکنولوژی لایه- نازک است در این تکنولوژی عنصر حساس از نظر الکتریکی از زمینه ی سیلیکانی جدا (عایق)می شود. این مزیات زیادی را نتیجه می دهد. از اتصالات ناپایدارحرارتی و زمانی اجتناب می کند بنابراین سنسورفشاردرطی زمانهای طولانی تر پایدارتر است محدوده ی حرارتی عملکرد آن حداکثر تا200درجه سلسیوس توسعه پیدا می کند و رانش حرارتی ولتاژ خروجی می تواند در مقایسه با سیلیکان تک کریستالی بطور قابل ملاحظه ی کاسته شود.
نخستین سنسورهای تجارتی در 1988 عرضه شدند. ماده ی سنسور پیزو مقاومتی عبارت از Si-چندگانه است. خواص آن می تواند بطور انتخابی بویسله تغییر دادن شرایط رسوب دهی و رفتارهای بعدی تغییر داده شود. درجه حرارت پردازشی کم به معنی آن است که رسوب دهی بر روی متنوع ترین مواد فنری از فلزات تا پلاستیک ها امکان پذیر است. این یک مزیت بزرگ است. سازگار نمودن چنین سنسورهائی به موارد زیادی از کارهای اندازه گیری امکان پذیر است.
بدست آوردن ضرایبk (این ضریب مقدار ثابت وابسته به ماده بکار برده شده است و در سیلیکان تنها تابعی از سطح تقویت نیست بلکه تابعی از جهت دهی کریستال نیز می باشد.) بزرگتر توسط سخت کردن Si-چند گانه امکان پذیر است. با وجود این اگر این کار انجام شود مزیت ذکر شده در بالا از دست می رود. سپس عملیات ذوب موضعی می تواند برای ایجاد کردن لا یه های سیلیکانی باز کریستال سازی شده با خواص پیزو مقاومتی مشابه خواص پیزو مقاومتی سیلیکان تک کریستالی به کار برده شود.
سنسورهای فشار خازنی
ظرفیت c یک خازن صفحه ای بستگی به ثابت دی الکتریک نسبی،فاصله d بین صفحات و مساحت صفحه A دارد: c= ε A/d
تغییرات ε،Aوd در کاربردهای سنسورداری استفاده ی عمده ای هستند. برای سنسورهای فشار بطور عمده تغییر در ظرفیت درنتیجه ی تغییرشکل یک غشاء، یعنی تغییر در فاصله،d، می باشد که به منظور ایجاد اثر حس کننده بکار برده می شود. بویژه سنسورهای خازنی کوچک می تواند با استفاده از تکنولوژی سیلیکان تولید شوند.
برای مثال، یک صفحه ی خازن می تواند از یک غشاء تشکیل شود در مقابل این قسمت یک صفحه ی شیششه ای که بخشی از آن فلزدار شده است قرار دارد. لایه ی فلزی الکترود دوم خازن را تشکیل می دهد. شیشه و سیلیکان بوسیله ی اتصال آندی به یکدیگر متصل می شوند. تغییرات خیلی کوچکی در ظرفیت رخ می دهد و آشکار نمودن الکترونیکی اینها مشکل است. به همین دلیل ترجیح داده می شود مدارات الکترونیکی پردازش کننده بر روی زمینه ی سیلیکانی مجتمع شود برای مثال به شکل یک نواسانگر RC. در این صورت ظرفیت متغیر نواسانگر مکانیزم حس کننده ی فشار می شود. یک سیگنال متناوب در خروجی ظاهر می شود.
جدید ترین تکنیک های میکرو ساخت از سیلیکان بر روی اتصالات سیلیکانی استفاده می کند. این به معنی آن است که این سنسور می تواند تنها از سیلیکان ساخته شود. قسمت های اصلی سنسور فشار براساس سیلیکان مجتمع عبارت اند از :
1) لایه ی برن نفوذ داده شده
2) پوشش سیلیکانی با فسفر نفوذ داده شده
3) حفره ی مرجع
4) دیافراگم
اصول سنسور فشار جدید
تجمع یک MOSFET و یک الکترت (یک قطعه ماده ی دی الکتریت که بطور دائمی پلاریزه شده است،برای ایجاد آن ماده را گرم می کنند و در ضمن خنک کردن آن را دریک میدان الکتریکی قوی قرار می دهند.) منجر به ظهور انواع زیادی از سنسورهای جدید شده است، که تعدادی از آنها سنسورهای فشار هستند. برای مثال عنوان جدید PRESSFET به یک سنسور فشار اطلاق شده است که از یک دیافراگم هادی نازک، یک فاصله ی هوایی، الکتریت( در این مورد خاص تفلون بکار برده میشود.) یک لایه SiO2 و زمینه ی سیلیکانی تشکیل می شود.
PRESSFET می تواند به عنوان یک نوع جدید از آرایش FET با یک لایه ی ساندویچی دی الکتریت بین گیت (دیافراگم هادی ) و سیلیکان در نظر گرفته شود. جریان در کانال درین – سورس علاوه بر سایر چیزها، بستگی به ظرفیت بین گیت و سیلیکان دارد. بنابراین آن یک وظیفه ی شناسایی فشار اعمال شده را دارد. فشار عکس العملی در گستره ی 20-400 kPa می تواند آشکار شود.
یک نوسانگر Reed(رید) سیلیکانی، که با استفاده از روش های میکرو مکانیکی ساخته شده است می تواند به عنوان یک سنسور فشار بکار برده شود. یک پدال سیلیکانی که ابعاد آن در محدوده ی میلی متر قرار دارد، و وادار به نوسان شده است در دامنه ی ارتعاش خود یک تغییر وابسته به فشار نشان می دهد. این اصل می تواند برای اندازه گیری فشارهائی بین 10mPaو100kPa بکار برده شود.
سنسورهایی نیز که برای اندازه گیری خلاء با استفاده از روش های میکرومکانیکی تولید می شوند لیکن بر اساس اصول حرارتی کارمی کنند اصول کارشان مشابه اصول بکار برده شده دردستگاه سنجش خلاء پیرانی است. این به معنی آن است که فشار خلاء از تغییر اندازه گیری شده در هدایت حرارتی گاز استنتاج می شود. دو نوع آن عبارت انداز: سنسور رید حرارتی و سنسور غشاء شناور مجتمع. در نوع اول، یک ترموپیل مجتمع بر روی بازوی رید یا نگهدارنده قرار داده می شود.چنین سنسورهائی میتوانند برای فشارهای بین 10mPa و10Pa بکار برده شوند.
در نوع دوم، ترموپیل ها بر روی بازوهای قطعه ی معلق، یک غشاء شناور، قرار داده می شود. این ترموپیلها افزایش درجه حرارت غشاء را نسبت به درجه حرارت محیط اندازه گیری می کنند. افزایش درجه حرارت توسط مقاومت هائی که در محل اتصال بازوها و غشاء قرار داده شده است ایجاد می شود. توان الکتریکی لازم به منظور برقراری یک درجه حرارت ثابت در حضور یک گاز خنک کننده توسط یک مقاومت فراهم می شود که کل غشاء را می پوشاند. این توان بطور خطی وابسته به فشار P است. اندازه گیری دامنه فشاری از 10mPa تا10kPa امکان پذیر است.
در بسیاری از کاربردهای صنعتی یا آزمایشگاهی مواجه شدن با درجه حرارت هائی بالاتر از 100 درجه سلسیوس معمول است. بنابراین استفاده کردن از سنسورهای پیزو مقاومتی که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان برروی یاقوت کبود (SOS )تولید می شوند ضروری است.این سنسورهای فشار از دو قسمت تشکیل می شوند:
1) یاقوت کبود 2) پایه
یاقوت کبود (Al2O3 ) مشتمل بر دیافراگم و مقاومت ها، و پایه، که می تواند برای مثال از شیشه درست شود.
این سنسورها می تواند در درجه حرارت هایی حداکثر تا 425 درجه سلسیوس و فشارهائی حداکثر تا Pa10 بکار برده شود.

منابع

اصول و کاربرد سنسورها نوشته پیتر هاپتمن

عبدالکریم ماندگاری، ترانسمیتر فشار و کاربردهای آن در ابزاردقیق، نشر قدیس، 1393
– Holler, F. James; Skoog, Douglas A; Crouch, Stanley R (2007). "Chapter 1". Principles of Instrumental Analysis (6th ed.). Cengage Learning. p. 9. ISBN 978-0-495-01201-6.
-Petrin Drumea, Marian Blejan, Ioana Ilie, "DIGITAL INTERFRACE FOR PIEZOELECTIC FORCE SENSOR" International conference, 6th workshop on Europen and Industrial Collaboration, Bucharest, 25-26 september 2008
-Jeffry Dosch, Bill Hynd, "PCB PIEZOTRONIC journal" Depew NY, IMAC XXV February 19-22, 2007
-James Karki, " TEXAS Instrument journal , application report- SLOA033A -SEPTEMBER
-Binder , J . sensors and actuaters
-Kawamura Y. Proc. TRANDUCER
-Baltes, H .P. and Popovic ,R.S . Proc . IEEE 74
-Angell, J.B . Silicon Micromechanical Device ,
and Electro Optics
-Moretti ,M . Laser Focus
-Williams,D.E.,stonham,A.M.and Moseley,P.T
-Harada,k.et al;IEEE Trans.Magntics .

سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت
2017

17

[Type the company name]