تحقیق سیستم های اندازه گیری فشار و پیزوالکتریک


بسم الله الرحمن الرحیم

عنوان:
سیستمهای اندازه گیری فشار و پیزوالکتریک

فهرست
تعریف 11
تعریف فشار 12
تاریخچه اندازهگیری 13
تاریخچه فشار سنج 14
وسایل اندازهگیری فشار 14
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی 14
فشار سنجهای پیستونی 15
فشار سنجهای ستون مایع 15
فشار سنجهای آنرویدی (مکانیکی) 16
فشارسنجهای بوردون 16
فشارسنجهای دیافراگمی 17
فشار سنج الکترونیکی 17
فشار سنج خازنی 17
فشار سنج مغناطیسی 18
فشار سنج پیزو الکتریک 18
فشار سنج نوری 18
فشارسنج پتانسیومتری 18
فشار سنج تشدیدی 18
فشار سنج هدایت حرارتی 18
فشارسنج یونیزاسیون 19
انواع سیستمهای اندازهگیری 20
دستگاه گاوسی 20
دستگاه انگلیسی 20
دستگاه بین المللی SI 20
انواع فشار 21
فشار نسبی 21
فشار مطلق 21
فشار خلاء 21
واحدهای اندازهگیری فشار 21
سنسور چیست؟ 22
انواع حسگرها 23
زوج حسگر مافوق صوت 23
حسگر فاصله 23
حسگر رنگ 23
حسگر نور 23
حسگر صدا 23
حسگر حرکت و لرزش 23
حسگر دما 23
حسگر دود 23
مزایای سیگنالهای الکتریکی 23
پردازش راحتتر و ارزانتر 24
انتقال آسان 24
دقت بالا 24
سرعت بالا 24
حسگرهای مورد استفاده در رباتیک 24
حسگرهای تماسی 24
حسگرهای هم جواری 24
حسگرهای دوربرد 24
حسگر نوری (گیرنده-فرستنده) 25
انواع سنسورها 25
با تماس مکانیکی 25
بدون تماس مکانیکی 25
انواع خروجیهای متداول سنسورها 25
نوعA 25
نوعB 25
نوع c 26
نوع d 26
نوع E 26
سنسور فشار 26
کاربردهای سنسور فشار 26
اندازهگیری فشار 27
اندازهگیری ارتفاع از سطح دریا 27
آزمایش نشتی 27
اندازهگیری عمق 27
اندازهگیری جریان 27
انواع سنسورهای اندازه گیری فشار 27
سنسور فشار مطلق 27
سنسور فشار گیج 28
سنسور فشار خلاء 28
سنسور فشار تفاضلی 28
سنسور فشار مهر شده 29
انواع سیستمهای اندازهگیری فشار(هاوارد، 1998؛ عبدالکریم ماندگاری، 1393؛ سلطانی، 1388). 30
اندازهگیری فشار توسط مانومترها 30
مانومتر یک شاخهای 30
مانومتر دو شاخهای 30
مانومتر مورب 30
اندازهگیری فشار توسط فشار سنجهای لوله بوردن 30
لولهی C شکل 30
لولهی فانوسی 30
لولهی حلقوی 30
لولهی حلزونی 30
کپسول 30
دیافراگم 30
اندازهگیرهای الکتریکی فشار 30
استرین گیجها 30
اندازهگیرهای ظرفیتی فشار 31
اندازهگیرهای پیزوالکتریکی فشار 31
اندازه گیری فشار با بیلوز 31
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی 31
فشار سنجهای ستون مایع 32
فشارسنجهای آنرویدی(مکانیکی) 32
فشارسنجهای بوردون 32
انواع بوردن تیوب 33
سنسورنوع C 33
سنسور نوع حلزونی 33
سنسور نوع حلقوی 33
اندازهگیری فشار با دیافراگم 34
مزایای اندازهگیری فشار با دیافراگم 34
کاربردهای ترانسدیوسرها 34
انواع ترانسدیوسر 35
ترانسدیوسرهای خازنی 35
ترانسدیوسرهای سلفی 35
ترانسدیوسرهای مقاومتی 35
ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک 35
دیافراگم کپسولی 35
دیافراگم خازنی 36
گیج های کشش پیزو رزیستور 36
استرین گیج 36
انواع حساسههای اندازهگیر 37
سنسور 37
ترانسدیوسرها 37
ترانسمیتر 37
کنترل کننده ابزار دقیق 37
مشخصات دستگاههای اندازهگیری ابزار دقیق 37
دامنه اندازهگیری 38
دقت 38
اندازهگیری فشارهای متفاوت بهترین راه ساختن یک سنسور با حداکثر دقت ممکن است. به این دلیل که فشار مرجع، نسبت به فشار اتمسفر بیشتر تحت کنترل کاربر است. چون تمرکز فشار اتمسفر بیشتر در اندازهگیری فشار گیج مطرح میگردد (مرادی، 1394). 38
تکرارپذیری 38
حساسیت 38
پایداری 38
پاسخ دهی 39
محدودیت های اندازهگیری فشار 39
رنج اندازهگیری 39
ابعاد سنسور 39
دمای کاری 39
نوع اندازه گیری 40
نوع خروجی تولید شده 40
زمان پاسخ 40
ولتاژ آفست 40
تعریف پیزوالکتریک 40
مواد پیزوالکتریک 42
اثر پیزوالکتریک 44
رفتار پیزوالکتریک 45
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک 46
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک 46
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک 46
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد 47
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما 47
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور 47
اثر پیزوالکتریک 48
استفاده های پیزوالکتریک 49
کاربرد پیزوالکتریک ها 50
مبدل های پیزوالکتریک 50
محرک های پیزوالکتریک 51
انواع سنسورهای پیزوالکتریک 52
حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک 52
حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک 52
حسگرهای صوتی پیزوالکتریک 53
ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد 53
کاربردهای اثر پیزوالکتریک 54
اثر فشاربرقی 55
سازندگان سنسور فشار 55
مروری بر مطالعات گذشته 55
تعریف
در میان تنوع مواد پیزوالکتریک، تقدم مواد زیرکونیم1 و تیتانیم2 (pzt) بیشترین تاثیر در پایداری پیزوالکتریک و زوج نیروهای الکترومکانیکال را دارا میباشد؛ که موجب پیدایش پر طرفدارترین سنسورهای فشار گردیده است. هر چند طبیعت شکننده و ترد (pzt) به عنوان یک مشکل برای ساختن ساختار دیافراگمی در مقایسه با دیگر مواد قایل انعطافتر پیزوالکتریک مانند پلیمرهای (pvdf3) و لایه های نازک zno میباشد؛ اخیرا گسترش ساخت pzt با لایههای ضخیمتر سرامیک در حدود چند دهم بیشتر با فرآیند نوارهای ریختهگری مورد توجه قرار گرفته است؛ که موجب میگردد پیزوالکتریکهای فشارسنج قابل انعطاف و محکمتری طراحی و ساخته شوند.
تعریف فشار
همه مواد موجود در طبیعت ازمولکول ساخته شدهاند و هرمولکول ازاتمهاى مختلف تشکیل شده است. مولکولهاى یک جسم سیال (مایع یا گاز) با سرعت زیاد در تمام جهات حرکت مىکنند (سلطانی، 1388). در اثر این حرکتها با یکدیگر و با دیواره ظرفى که درآن قرار دارند برخورد مىنمایند. در اثر برخورد مولکولها به دیواره ظرف نیرویى به آن وارد مىشود؛ بنابراین مقدار نیروى وارده بر دیواره ظرف به عوامل زیر بستگى دارد(ویلانی، 1393).
الف) سرعت مولکولها
ب) تعداد مولکولها
ج) وزن مولکولها

شکل 2-1- مدل فشار بر واحد سطح
عمدهترین کاربرد پیزوالکتریکها استفاده برای اندازهگیری فشار سیالات میباشد (مجیدی، ۱۳۹۲). در این حالت سنسورهای فشار عموما فشار گاز یا مایع را اندازه میگیرند. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف میشود. سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید میکند (ویلانی، 1393). برای این منظور میتوان سیگنال الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده میشوند (سبزپوشان، 1393). همچنین سنسورهای فشار میتوانند به طور غیر مستقیم برای اندازهگیری سایر متغیرها استفاده شوند (مرادی، 1394)؛ 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 نیز گفته میشود ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371). سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند (مجیدی، ۱۳۹۲).
تاریخچه اندازهگیری
سابقه اندازهگیری به عهد باستان باز میگردد و می توان آن را به عنوان یکی از قدیمیترین علوم به حساب آورد. در اوایل قرن 18 جیمز وات4 مخترع اسکاتلندی پیشنهاد نمود تا دانشمندان جهان دور هم جمع شده یک سیستم جهانی واحد برای اندازهگیریها به وجود آورند. به دنبال این پیشنهاد گروهی از دانشمندان فرانسوی برای به وجود آوردن سیستم متریک5 وارد عمل شدند (سلطانی، 1388). سیستم پایهای را که دارای دو استاندارد یکی "متر" برای واحد طول و دیگری "کیلوگرم" برای وزن بوده، به وجود آوردند. در این زمان ثانیه را به عنوان استاندارد زمان و ترموسانتیگراد را به عنوان استاندارد درجه حرارت مورد استفاده قرار دادند. در سال 1875 میلادی دانشمندان و متخصصان جهان در پاریس برای امضاء قراردادی به نام پیمان جهانی متریک دور هم گرد آمدند. این قرارداد زمینه را برای ایجاد یک دفتر بین المللی اوزان و مقیاسها در سورز6 فرانسه آماده کرد. این موسسه هنوز به عنوان یک منبع و مرجع جهانی استاندارد پا برجاست (ویکیپدیا).
اندازهگیری مهارتی است که میان نظریه علمی و دنیای واقعی رابطه ایجاد می کند (سبزپوشان، 1393). این رابطه دو طرفه می باشد. هر رویداد اندازهگیری شده ای که قبلا پیشگویی نشده باشد، باید نظریه جدید آنرا توجیه کند. اشخاصی که کار تجربی انجام می دهند باید اطلاعات فنی جامعی از اصول اندازهگیری داشته باشند. نحوه اندازهگیری و محدودیتهای ناشی از وسایل اندازهگیری را بشناسد. هر دانشمندی فقط با دانستن اینکه چه اندازهگیریهایی انجام شده است و نحوه اندازهگیریها چگونه بوده است، می تواند اثر و کشفیات دانشمندان دیگر را خوب بفهمد. بنابراین، اندازهگیری هنری است که در حال حاضر تکنولوژی پیشرفته حامی آن است (سبزپوشان، 1393).
اصلاح قواعدی حاکی از آن است که اندازهگیری دارای نظم و ترتیب است و این نظم و ترتیب را باید بطور دقیق و روشن بیان کرد. در بعضی موارد این قواعد چنان بدیهی هستند که توضیح مفصل آنها ضرورت ندارد. مانند موقعی که از خطکش برای اندازهگیری طول یک متر استفاده میشود. اما قواعد مربوط به اندازهگیری صفات روانی و متغیرهای آموزشی تا این اندازه آشکار نیستند. برای مثال، اندازه گیری هوش یا یادگیری دانش آموزان؛ به بیان دقیق قواعد اندازهگیری نیاز دارد. به ویژه در آزمونهای میزان شده، بیان قواعد اندازهگیری بطور روشن بسیار ضروری است (سبزپوشان، 1393). فایده بیان قواعد اندازهگیری این است که این قواعد کمک میکنند تا افراد مختلفی که وسیله اندازهگیری را مورد استفاده قرار میدهند به نحو یکسان آن را بکار برند.
لازم به ذکر است دستگاههای اندازهگیری و آزمون به دلایل گوناگون از جمله فرسایش، لقی و میزان استفاده، انحرافاتی را نسبت به وضعیت تنظیم شده قبلی نشان میدهند. هدف کالیبراسیون اندازهگیری مقدار انحراف مذکور در مقایسه با استانداردهای سطوح بالاتر و همچنین دستگاه در محدوده "تولرانس" اصلی خود میباشد (عبدالکریم ماندگاری، 1393). همچنین برای اینکه کنترلی بر روی این واحدها وجود داشته باشد، اداره ای تحت عنوان اداره مرکزی استانداردها بوجود آمد. چون اداره مرکزی دفتر بین المللی استانداردها در پاریس، محل ابداع سیستم متریک واقع است نام این سیستم فرانسوی است. سیستم های سنتی اندازهگیری در طول قرنها تکامل یافته اند و در کشورهای مختلف متفاوت هستند. تنها وجه اشتراک آنها این است که هیچ گونه مفهومی ندارند. به عبارت دیگر می توان گفت که این سیستم های سنتی با تفکر کافی ابداع نشدهاند. سیستم SI، سیستمی است که آگاهانه ابداع شده است و روابط آن خیلی سادهتر است (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
تاریخچه فشار سنج
بلز پاسکال7، فیلسوف فرانسوی در سال 1648 برای اولین بار در آزمایشات خود متوجه نیرویی شد و آن را فشار نامید. مطالعات پاسکال در مورد سیالات (هیدرودینامیک و هیدروستاتیک) بر اساس اصول سیالات هیدرولیک بود. اختراعات او در این زمینه شامل فشار هیدرولیک (استفاده از فشار هیدرولیک برای افزایش نیرو) و سرنگ میباشد. در سال 1646 پاسکال از آزمایشهای "اوانجلیستا توریسلی" در ارتباط با فشارسنج آگاهی یافت. وی این آزمایشها را با لوله ای پر از جیوه تکرار کرد و این لوله را به صورت وارونه درون کاسه ای از جیوه قرار داد. پاسکال این سوال را مطرح کرد که چه نیرویی، بخشی از جیوه را درون لوله نگهداشته و چه چیزی فضای بالای جیوه را در لوله پر کرده است. در آن زمان، بیشتر دانشمندان بر این باور بودند که غیر از خلاء، مادهای نامرئی در آن فضا وجود دارد (ویکیپدیا؛ ویلانی، 1393).
وسایل اندازهگیری فشار
تاکنون 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. قدیمیترین وسیله اندازه گیری فشار مانومتر ستون مایع است (ویلانی، 1393) (یک لوله عمودی که با جیوه پر شده است) که توسط توریچلی8 در ۱۶۴۳میلادی اختراع شد (سلطانی، 1388). همچنین مانومتر ستون مایع U شکل نیز توسط کریستان هویگنس9 در سال ۱۶۶۱ میلادی اختراع گردید.
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی
فشارسنجهای هیدرواستاتیکی (مانند مانومتر ستون مایع) فشار را با نیروی هیدرواستاتیکی که بر واحد سطح در پائین ترین موقعیت ستون سیالی که درون لوله (مانومتر ستون مایع) قرار دارد مقایسه می کند (ویلانی ،1393). اندازه گیری فشار به روش هیدرواستاتیکی مستقل از نوع گازی است که اندازه گیری می شود و بنابراین طراحی آن می تواند بگونهای باشد که بطور خطی عمل نماید و منحنی کالیبراسیون آن بسیار خطی باشد. علیرغم این مزیت، این قبیل وسایل پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند (سلطانی، 1388).
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 بار راکد است (ویلانی، 1393). معمولاً آزمونگرهای بار راکد از درستی بالایی برخوردار بوده و بعنوان وسیله استاندارد مرجع برای کالیبراسیون سایر وسایل اندازه گیری فشار بکار می رود (مجیدی، ۱۳۹۲).
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 هست 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(اینترنت). شکل ساده این نوع مازومترها U شکل است (مجیدی، ۱۳۹۲). 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 معادله فشار هیدرواستاتیکی P=ρgh بدست می آید (سلطانی، 1388). بنابراین اختلاف فشار بین فشار اعمالی Pa و فشار مربع P در لوله U شکل مانومتر، را می توان از رابطه زیر حساب کرد (هاوارد، 1998؛ ویلانی، 1393):
رابطه (2-1)

با اینکه در این مانومتر می توان از هر نوع سیالی استفاده کرد ولی استفاده از جیوه بخاطر چگالی بالای آن (213.534g/cm) 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 را آلوده کند (مجیدی، ۱۳۹۲).
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 از100 Paتا چند اتمسفر (تقریباً 1,000,000 Pa) را اندازه گیری کنند.
فشار سنجهای آنرویدی (مکانیکی)
فشارسنجهای آنرویدی براساس خاصیت الاستیکی جزء حسگر فشار که فلزی است کار میکند. 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 بوردونی10 و دیافراگمی از دسته فشارسنجهای آنرویدی محسوب میشوند (هاوارد، 1998؛ مجیدی، ۱۳۹۲).
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 (هاوارد، 1998).
جزء حسگر این وسایل می تواند لوله بوردون، یک دیافراگم، یک کپسول یا مجموعه ای از ششها 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 (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
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 (هاوارد، 1998؛ ویلانی، 1393). در سال 1849 میلادی این اختراع به نام ایگنه بوردن در فرانسه ثبت و به دلیل حساسیت عالی، عملکرد خطی و درستی آن بطور گستردهای 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 (مجیدی، ۱۳۹۲). همچنین در 1849 میلادی برنادر شائفر در ماگدبرگ آلمان فشارسنج دیافراگمی را با موفقیت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنجهای بوردنی انقلابی در اندازهگیری فشار درصنعت بوجود آورد. اما در 1875میلادی پس از اینکه ثبت اختراع بوردن به پایان رسید، شرکت شائفر و بودنبرگ نیز فشارسنجهای بوردنی را تولید کرد (هاوارد، 1998).
معمولاً هنگامیکه فشار تحت اندازهگیری بصورت پالسهای سریع تغییر می کند، از یک قطعه مکانیکی با یک سوراخ محدودکننده 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. بطور نوعی فشارسنجهای با کیفیت بالا درستی تا 2 درصد دامنه اندازه گیری
و فشارسنجهای مخصوص درستی تا 0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه گیری را می توانند برقرار کنند (سلطانی، 1388).
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 (سلطانی، 1388).
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 تواند به 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 (سلطانی، 1388). 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 یا 0.01torr به بالاست (هاوارد، 1998).
فشار سنج الکترونیکی
برخی انواع فشار سنجها ی الکترونیکی که در کاربردهای صنعتی بکار گرفته میشوند (مجیدی، ۱۳۹۲) عبارتند از: فشار سنج پیزو مقاومتی فشار مکانیکی (ویلانی، 1393) اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی شده و فشار اعمال شده اندازهگیری 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 اندوکتانس11 (خاصیت سلفی) ،LVDT12 ، اثر هال13 یا جریان ادی شده و فشار اندازهگیری شود. LVDT نوعی مبدل الکتریکی (حاوی چندین سیم پیچ سلونوئیدی) است که برای اندازهگیری جابجاییهای خطی بکار گرفته میشود (ویلانی، 1393).
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 اندازهگیری فشار استفاده میشود (ویلانی، 1393).
فشار سنج نوری
از تغییرات فیزیکی بعمل آمده برروی فیبر نوری براثر اعمال فشار برای اندازهگیری فشار استفاده میشود (سلطانی، 1388).
فشارسنج پتانسیومتری
از حرکت یک لغزنده برروی یک مکانیزم مقاومتی که بطور متناسب با فشار اعمالی به لغزنده بوجود میآید و منجر به تغییر مقاومت میشود، فشار اندازهگیری میشود (مجیدی، ۱۳۹۲).
فشار سنج تشدیدی
از تغییر فرکانس نوسان در یک مکانیزم حسکننده فشار برای اندازهگیری 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 (14RTD) 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 (ویلانی، 1393). 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.

شکل-2-2- فشار سنج هدایت حرارتی
نوع یک سیمه این ها 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 (ویلانی، 1393). این نوع فشارسنج که توسط مارچلو پیرانی15 اختراع گردید در گستره 10 torr تا 10-3 torr (محدوده خلاء) از درستی خوبی برخوردار است و معمولاً برای اندازه گیری خلاء استفاده می شد (هاوارد، 1998).

شکل -2-3-فشار سنج یونیزاسیون
فشارسنج یونیزاسیون
فشارسنج یونیزاسیون از فشارسنجهای حساسی است که برای اندازه گیری فشارهای خیلی کم (خلاء شدید) استفاده میشود. 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 اندازهگیری 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 جمعکننده که به ولتاژ مناسبی متصل است جذب می شوند (هاوارد، 1998؛ ویلانی، 1393).
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 جمعکننده، فشارگاز را می تواند تعیین کند. گستره کاری این فشارسنجها از10(-3torr تا10-10torr، Pa 10-1 تاPa 10-8 پاسکال) است (هاوارد، 1998).
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 (هاوارد، 1998).
اصول کار مدل کاتد سرد نیز مشابه کاتد داغ است، بجز اینکه الکترونها در اثر تخلیه الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا بوجود می آیند. گستره اندازه گیری مدل کاتد داغ معمولاً 10-3 torr تا 10-10torr و کاتد سرد 10-2 torr تا 10-9torr (10 برابر کمتر از کاتد داغ است.
انواع سیستمهای اندازهگیری
دستگاه گاوسی
این دستگاه در بسیاری از متون فیزیکی مورد استفاده قرار میگیرد. این دستگاه ترکیبی از دو دستگاه قدیمیتر دستگاه الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی است (سبزپوشان، 1393). در دستگاه الکترواستاتیکی واحد الکترواستاتیکی بار esu می باشد و به عنوان باری تعریف می شود که هنگام قرار گرفتن در فاصله یک سانتیمتری از یک بار کاملا مشابه نیرویی برابر با یک دین به آن وارد می شود. بنابر این می توان گفت که این دستگاه، یک دستگاه دورگه است. نقطه اصلی ارتباط این دو در چگالی جریان است (سلطانی، 1388). یعنی Jemu=Jesu/C
دستگاه انگلیسی
این دستگاه هنوز هم در آمریکا، انگلیس و برخی از کشورهای دیگر به کار می رود. کمیت های اصلی این دستگاه در مکانیک عبارتند از: طول برحسب فوت، نیرو برحسب پوند، جرم برحسب گرم، زمان برحسب ثانیه است. در انگلیس به تدریج دستگاه انگلیسی به نفع دستگاه بین المللی که پذیرش رسمی پیدا کرده است کنار گذاشته می شود (سلطانی، 1388).
دستگاه بین المللی SI
در این دستگاه هیچگونه ضریبی به کار نمی رود، لذا خیلی ساده تر است. در این سیستم هفت یکای اصلی وجود دارد. با ضرب و تقسیم این هفت یکا، یکاهای دیگری بدست می آیند که یکاهای فرعی نام دارند (سلطانی، 1388). یکاهای اصلی عبارتند از: طول (متر) ، جرم (کیلوگرم)، زمان (ثانیه) ، دما (کلوین)، جریان الکتریکی (آمپر)، شدت درخشانی (شمع)، تعداد ذرات (مول) (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
انواع فشار
فشار نسبی
فشار بالاتر از فشار هوای محیط (فشار هوای محیط صفر در نظر گرفته میشود) را فشار نسبی میگویند (سلطانی، 1388).
فشار مطلق
فشاری را که نسبت به صفر مطلق (خلا) اندازهگیری شود، فشار مطلق میگویند (ویلانی، 1393).
فشار هوا + فشار نسبی = فشار مطلق
فشار خلاء
فشار کمتر از فشار هوای محیط را فشار خلاء میگویند (سلطانی، 1388).

شکل 2-4- رنجهای فشار
واحدهای اندازهگیری فشار
تا قبل از سال1971، واحد فشار در سیستم بینالمللی یکاها (SI)، نیوتن بر متر مربع (2N/m) بود. ولی پس از آن به پاسکال که مساوی با 2N/m بود تغییر نام داد (عبدالکریم ماندگاری، 1393). این تغییر نام به افتخار ریاضیدان، فیزیکدان، مخترع، نویسنده و فیلسوف کاتولیک فرانسوی با نام بلیز پاسکال16 که در قرن هفده میلادی میزیست انجام شد؛ ولی هنوز در بسیاری کشورها بالخصوص بطور گسترده در آمریکا و کانادا از واحد پوند بر اینچ مربع (psi) برای بیان فشار استفاده میکنند (سلطانی، 1388).
در مانومترها فشار براساس توانائی در جابجایی ستون مایع موجود درآن بیان میشود، بطور مثال برحسب میلیمتر آب یا میلی متر جیوه. چون جیوه چگالی بیشتری نسبت به آب دارد، معمولا مانومترهای ساخته شده براساس ستون جیوه در یک فشار معین، کوتاهتر و کوچکتر هستند (سبزپوشان، 1393). ولی بایستی توجه داشت که چگالی سیال موجود در مانومتر و شتاب جاذبه (g) از یک محل به محل دیگر تفاوت میکند و در نتیجه برروی مقدار خوانده شده فشار تاثیر میگذارد (هاوارد، 1998).
در سیستمهای خلا، معمولا از واحدهای Torr،micron و inHg برای بیان مقدار خلا استفاده میشود. Torr، یک یکای غیر SI است و برابر 322/133 پاسکال و تقریبا 1 میلیمتر جیوه است (هاوارد، 1998).
1 Torr = 133.322 pa =1 mmHg
منظور از micron نیز میکرومتر جیوه است. معمولا Torr و micron فشار مطلق و inHg فشار سنجش را بیان میکنند.
فشار اتمسفر معمولا برحسب کیلو پاسکال (kpa) یا اتمسفر (atm) بیان میشود ولی در اندازهشناسی آمریکایی ترجیح میدهند از واحدهای هکتوپاسکال(hpa) و میلیبار(mbar) استفاده کنند (ویلانی ،1393).
1 hpa=1 mbar=100 pa
در واحدهای غیر از SI برای بیان فشار از واحدهای دیگری که خیلی متداول نیست و یا منسوخ شده است استفاده میشده یا هنوز استفاده میشود. در سیستم cgs (سیستم سانتیمتر – گرم- ثانیه) برای بیان فشار از واحد باراد (بانوشتار فرانسوی Barye) و مخفف Ba استفاده میشود و 1 Ba=0.1 Pa است.
در سیستم mts(متر- تن- ثانیه) برای بیان فشار از واحد Pieze با مخفف Pz استفاده میشود که تا قبل از 1955 میلادی در شوروی (سابق) متداول بود استفاده میشد و 1 Pz =1 kpa است(هاوارد،1998).
در برخی از کشورهای صنعتی نیز از کیلوگرم بر سانتی متر مربع (2kg/cm) یا کیلوگرم بر متر مربع (2kg/m) یا سایر مشتقات مشابه برای بیان فشار استفاده میشود. منطق این واحد بر اساس نیروی اعمالی بر یک سطح مقطع که تعریفی از فشار است میباشد (P=F/A) و منظور از کیلوگرم، کیلوگرم- نیرو (kg-force) است. کاربرد کیلوگرم برای بیان مقدار نیرو در سیستم SI ممنوع است و بایستی از نیوتن (N) برای بیان نیرو استفاده شود (ویلانی ،1393).
سنسور چیست؟
حسگر یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازهگیری میکند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل مینماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی و نیز داخلی میباشند ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371). انتخاب درست حسگرها تاثیر بسیار زیادی در میزان کارایی ربات دارد. سنسور المان حسکنندهای است که کمیتهای فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و… را به کمیتهای الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیر پیوسته (دیجیتال) تبدیل میکند (سبزپوشان، 1393). این سنسورها در انواع دستگاههای اندازهگیری، سیستمهای کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار میگیرند (مرادی، 1394). عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاههای مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد. سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاهها میشوند. (ویلانی، 1393)
انواع حسگرها
بسته به نوع اطلاعاتی که ربات نیاز دارد از حسگرهای مختلفی میتوان استفاده نمود (مرادی، 1394؛ ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371):
زوج حسگر مافوق صوت
حسگر فاصله
حسگر رنگ
حسگر نور
حسگر صدا
حسگر حرکت و لرزش
حسگر دما
حسگر دود
مزایای سیگنالهای الکتریکی
مزایای سیگنالهای الکتریکی را میتوان بصورت زیر دستهبندی کرد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371):
پردازش راحتتر و ارزانتر
انتقال آسان
دقت بالا
سرعت بالا
حسگرهای مورد استفاده در رباتیک
در یک دستهبندی کلی حسگرهای مورد استفاده در رباتها را میتوان در چند دسته خلاصه کرد (مرادی، 1394):
حسگرهای تماسی
مهمترین کاربردهای این حسگرها به این شرح میباشد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371):
آشکار سازی تماس دو جسم
اندازهگیری نیروها و گشتاورهایی که حین حرکت ربات بین اجزای مختلف آن ایجاد میشود
حسگرهای هم جواری
آشکارسازی اشیاء نزدیک به ربات مهمترین کاربرد این حسگرها میباشد ( هاپ‍ت‍م‍ن، 1371).
انواع مختلفی از حسگرهای همجواری در بازار موجود است؛ از جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
القایی
اثرهال
خازنی
اولتراسونیک
نوری
حسگرهای دوربرد
کاربرد اصلی این حسگرها به شرح زیر میباشد:
فاصله سنج (لیزو و اولتراسونیک)
بینایی (دوربینCCD)
حسگر نوری (گیرنده-فرستنده)
یکی از پرکاربردترین حسگرهای مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهای نوری هستند. حسگر نوری گیرنده- فرستنده از یک دیود نورانی (فرستنده) و یک ترانزیستور نوری (گیرنده) تشکیل شده است (مرادی، 1394). خروجی این حسگر در صورتیکه مقابل سطح سفید قرار بگیرد 5 ولت و در صورتی که در مقابل یک سطح تیره قرار گیرد صفر ولت میباشد. البته این وضعیت میتواند در مدلهای مختلف حسگر برعکس باشد. در هر حال این حسگر در مواجهه با دو سطح نوری مختلف ولتاژ متفاوتی تولید میکند.
در زیر یک نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوری گیرنده- فرستنده نشان داده شده است. مقادیر مقاومتهای نشان داده شده در مدلهای متفاوت متغیر است و با مطالعه دیتاشیت آنها میتوان مقدار بهینه مقاومت را بدست آورد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
انواع سنسورها
سنسورها در دو نوع مختلف وجود دارند (مرادی، 1394):
با تماس مکانیکی
بدون تماس مکانیکی
انواع خروجیهای متداول سنسورها
نوعA
سنسورهایی با ماهیت قطع و وصل خروجی (باینری) مانند سنسورهای نزدیکی، فشار، اندازهگیری سطح مایعات و غیره. این نوع سنسورها را میتوان بطور مستفیم به دستگاه پیالسی متصل نمود.
نوعB
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت پالسی میباشند، مانند سنسورهای اندازهگیری میزان چرخش و طول و غیره. این سنسورها اکثرا قابل وصل به دستگاه پیالسی میباشند (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
نوع c
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت آنالوگ بوده ولی دارای بخش تقویت کننده و یا تبدیل نمیباشند. این سیگنالها خیلی ضعیف بوده و قابل استفاده مستقیم در دستگاه کنترل نمیباشند؛ مانند سنسورهای پیزوالکتریک یا سنسورهای هال (مرادی، 1394).
نوع d
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت آنالوگ بوده و واحد الکترونیک (تقویتکننده، تبدیل کننده) در خود سنسور تعبیه شده است. در این نوع سنسور خروجیها را میتوان به طور مستقیم جهت استفاده در دستگاههای کنترل استفاده نمود (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
نوع E
سنسورهای که سیگنال خروجی آنها مطابق با استانداردهای صنعتی میباشند.
سنسور فشار
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 (مرادی، 1394). 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، مانومتر و… نیز گفته می شود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند (هاوارد، 1998). با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند (ویکیپدیا). همچنین 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 (ویلانی ،1393). 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 (مرادی، 1394). این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.
کاربردهای سنسور فشار
به طور کلی میتوان کاربرد سنسور فشار را به چند دسته تقسیم کرد (هاوارد، 1998؛ ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371):
اندازهگیری 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 میرود (مرادی، 1394).
اندازهگیری ارتفاع از سطح دریا
این کاربرد از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده میشود که کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن های هواشناسی و غیره میباشد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
آزمایش نشتی
میتوان با اندازهگیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش های متداول برای این منظور دو روش هستند:
1. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار
۲. اندازهگیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان
اندازهگیری عمق
یکی دیگر از کاربردهای سنسور فشار اندازهگیری ارتفاع سطح مایع میباشد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371)، از این تکنیک برای اندازهگیری جسم غوطهور در آب مانند غواصها، زیردریاییها و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن استفاده میشود (سلطانی، 1388).
اندازهگیری جریان
در این روش با کمک اثر ونتوری و رابطه آن با فشار، جریا ن را اندازه گرفت، اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب ونتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازهگیری میشود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد. از آنجا که این اختلاف فشار نسبتاً کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده میشود (هاوارد، 1998).
انواع سنسورهای اندازه گیری فشار
سنسور فشار مطلق
این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلاء کامل (۰ psi) را اندازه میگیرد. فشار اتمسفر یک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلاء است. فشار اتمسفر را با استفاده از سنسور مطلق اندازه میگیرند ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
سنسور فشار گیج17
این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می شود؛ زیرا میتواند برای اندازهگیری 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 مقدار۰ psi را میخواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر. سنسور خلاء یک شکل از سنسور فشار گیج است که برای اندازهگیری فشارهای منفی طراحی شده است (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
این سنسور، نسبت فشار به فشار اتمسفریک را اندازه میگیرد. یک گیج فشار تایر، مثالی از اندازهگیری فشار گیج است که وقتی صفر میشود، آنگاه فشاری که اندازه میگیرد همان فشار محیط است ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
سنسور فشار خلاء
این سنسور برای اندازهگیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطهای مشخص استفاده میشود (مرادی، 1394). مرجع سنسور خلاء در صنعت متفاوت است؛ که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر (مانند اندازهگیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلاء. این مورد میتواند منجر به گیجی و سردرگمی کاربران شود. این سنسورهای فشار خلاء برای توصیف سنسوری استفاده میشود که فشارهای زیر فشار اتمسفر را اندازه گرفته و نشان دهنده تفاوت بین فشار پایین و فشار اتمسفر است ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن،1371). (فشار گیج منفی)؛ اما ممکن است برای توصیف سنسوری که نسبت فشار پایین با خلاء را اندازه میگیرد هم به کار میرود (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
سنسور فشار تفاضلی
این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی میشوند اندازه میگیرد. برای مثال اندازهگیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی همچنین برای اندازهگیری دبی یا سطح در مخازن به کار میرود (دروما، 2008؛ هاوارد، 1998).
این سنسور تفاضل بین دو فشار را از سمتی که به سنسور متصل است اندازه میگیرد. سنسور فشار تفاضلی برای اندازهگیری بسیاری از ویژگی ها به کار می رود. مثل فشار قطرات حاصله از فیلترهای نفت (یا روغن) یا فیلترهای هوا، سطوح سیال با مقایسه سنسور بالا و مایع پایین، یا نسبتهای جریان (با اندازهگیری تغییرات در فشار در مقابل یک سری از محدودیتها) ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
در گفتارهای معمولی، اکثر سنسورهای فشار معمولاً سنسورهای فشار تفاضلی میباشند. به عنوان مثال یک سنسور فشار گیج عموما یک سنسور فشار تفاضلی است که در یک سمت آن با اتمسفر محیط باز میشود.
سنسور فشار مهر شده
این سنسور، مشابه یک سنسور فشار گیج عمل میکند. با این تفاوت که فشارهای نسبی را در برخی از فشارها ثابتتر از فشار اتمسفر محیط اندازه میگیرد. (با توجه به موقعیت مکانی و آب و هوا متغیر میباشد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
انواع سیستمهای اندازهگیری فشار(هاوارد، 1998؛ عبدالکریم ماندگاری، 1393؛ سلطانی، 1388).
اندازهگیری فشار توسط مانومترها
مانومتر یک شاخهای18
مانومتر دو شاخهای19
مانومتر مورب 20
اندازهگیری فشار توسط فشار سنجهای لوله بوردن 21
لولهی C شکل22
لولهی فانوسی23
لولهی حلقوی24
لولهی حلزونی25
کپسول26
دیافراگم27
اندازهگیرهای الکتریکی فشار28
استرین گیجها29
اندازهگیرهای ظرفیتی فشار30
اندازهگیرهای پیزوالکتریکی فشار31
اندازه گیری فشار با بیلوز32
اندازهگیری فشار با بیلوز یکی دیگر از روشهای اندازهگیری فشار میباشد، المان بیلوز یک عضو الاستیک یک تکه است که معمولاً به شکل یک لوله نازک موجدار شبیه آکاردئون ساخته میشود و عمکلردی مشابه یک فنر مارپیچی دارد. در یک دستگاه اندازهگیری از این نوع وقتی فشار تغییر میکند نیروی وارده به فانوسی باعث انقباض و یا انبساط فانوسی شده و موجب حرکت انتهای آزاد آن میشود. این جابجایی متناسب با فشار اعمالی است و میتواند بطور مستقیم تغییرات فشار را توسط یک عقربه به نمایش بگذارد و یا توسط یک ترنسدیوسر، یک سیگنال الکتریکی متناسب با فشار تولید کند (هاوارد، 1998؛ ویکیپدیا).

شکل 2-5- فشار سنج بیلوز
از آنجاییکه رفتار فانوسی در حالت فشرده خطی است، از یک فنر استفاده میشود تا آنرا همیشه در حالت متراکم نگه دارد و بدین ترتیب، کل جابجایی فانوسی در حالت متراکم شده آن انجام میشود. خطی بودن فانوسی از مهمترین مزایای این سنسور میباشد.
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 (ویلانی، 1393) و بنابراین طراحی آن می تواند بگونهای باشد که بطور خطی عمل نماید و منخنی کالیبراسیون آن بسیار خطی باشد. علیرغم این مزیت، این قبیل وسایل پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند (سلطانی، 1388).
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(ویکیپدیا). ستون مایع تا زمانیکه وزنش در تعادل با اختلاف فشار بین دو انتهای لوله بشود، بالا یا پایین می رود تا تثبیت شود (سلطانی، 1388). شکل ساده این نوع مانومترها 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 (هاوارد، 1998). 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 معادله فشار هیدرواستاتیکی P=ρgh بدست می آید.
فشارسنجهای آنرویدی(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 (ویگیپدیا)؛ 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 (ویلانی، 1393)؛ 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 ششها 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 (هاوارد، 1998).
فشارسنجهای بوردون
فشارسنجهای بوردونی براساس این اصل کار می کنند که 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 (عبدالکریم ماندگاری، 1393). 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 اندازه گیری فشار استفاده می شود.
معمولاً هنگامیکه فشار تحت اندازهگیری 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 (عبدالکریم ماندگاری، 1393). 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 (هاوارد، 1998).
انواع بوردن تیوب
سنسورنوع C
در سنسور نوع C با وارد شدن فشار به یک سر آن، سر دیگر به سمت بیرون خم شده که این حرکت به یک فنر منتقل میشود. سنسور نوع C معمولاً در داخل فشار سنجها بکار میرود. یک میله رابط به نوک متحرک لوله C و انتهای دیگر آن به یک چرخدنده قطاعی متصل شده است و چرخ دنده با یک چرخ دنده کوچک درگیر شده که میله متصل به عقربه را میچرخاند؛ و در نتیجه فشار به فشارسنج وارد میشود و موقعیت عقربه در روی صفحه مقدار فشار را نشان میدهد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
سنسور نوع حلزونی
گاهی ممکن است طول لولهی بوردن به قدری زیاد شود که زاویه آن از 360 درجه بگذرد. یعنی لوله به صورت یک دایره کامل در آمده و از آن هم تجاوز کند. این حالت برای افزایش حساسیت و دقت در اندازهگیری فشارهای پایین مورد استفاده قرارمیگیرد (دروما، 2008).
سنسور نوع حلقوی
برای اندازهگیری فشار زیاد (تا حد10000 پوند بر اینچ مربع،600 بار) از لوله بوردن حلقوی استفاده میکنند. فشارسنج ها و ثبت کننده هایی که از لوله بوردن نوع حلقوی و حلزونی استفاده میکنند دارای اصطکاک کمتر و حساسیت زیادتری میباشند.
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 ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
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 تواند به 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 شود و گستره مفید اندازه گیری آنها از 1Pa یا 0.01torr به بالاست (هاوارد، 1998).
اندازهگیری فشار با دیافراگم
اندازهگیری فشار با دیافراگم یکی از روشهای اندازهگیری فشار در ابزاردقیق میباشد، این سنسورها که معمولاً فلزی یا از انواع خاصی از پلیمرهای ارتجاعپذیر میباشند، بصورت یک صفحه صاف یا چین خورده ساخته شدهاند. عمدتاً این نوع از دستگاهها برای اندازهگیری اختلاف فشار استفاده میشوند. در یک سلول اختلاف فشار یا Dp cell تغییر شکل مکانیکی دیافراگم موجب یک جابجایی کوچک و نیز کشیدگی سطح دیافراگم میشود. از این دو خاصیت یعنی جابجایی و نیز کشیدگی سطح ایجاد شده، به طور مستقل میتوان به منظور اندازهگیری میزان اختلاف فشار اعمالی استفاده نمود. در واقع میزان کشیدگی و میزان جابجایی ایجاد شده رابطه مشخصی با اختلاف فشار اعمالی دارد. لذا با دانستن یکی از دو فشار، میتوان میزان فشار مجهول را به دست آورد (هاوارد، 1998).
مزایای اندازهگیری فشار با دیافراگم
از محاسن مهم دیافراگمها، قابلیت محافظت از دیگر ابزارهای اندازهگیری فشار در برابر شرایط نامناسب، مثل دماهای بالا و سیالات خورنده و نیز توانایی بالای آنها در آببندی میباشد؛ به عبارت دیگر این نوع سنسورها، احتیاج بسیار کمتری به تجهیزات آببندی دیگر دارند. به همین دلیل در بسیاری از دستگاههای اندازهگیری فشار از یک دیافراگم به عنوان سنسور فشار استفاده میشود. این دستگاهها یا از خاصیت جابجایی دیافراگم و یا از خاصیت کشیدگی سطح آن برای اندازهگیری استفاده میکنند (هاوارد، 1998).
کاربردهای ترانسدیوسرها
در ترانسدیوسرهای و جابجایی که دیافراگم ایجاد مینماید برای اندازهگیری تغییرات فشار استفاده میکنند و ترانسدیوسر کرنش سنج از خاصیت کشیدگی سطح دیافراگم استفاده مینماید (مرادی، 1394).
انواع ترانسدیوسر
ترانسدیوسرهای خازنی
ترانسدیوسرهای سلفی
ترانسدیوسرهای مقاومتی
ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک
دیافراگم کپسولی
از آنجاییکه بسیاری از دیافراگم هایی که از جنس غیر فلزی ساخته میشوند، در مقابل مواد خورنده و ضربه حساس میباشند، به همین جهت در این موارد از دو دیافراگم استفاده میشود. دیافراگم اول که در تماس با سیال است معمولاً از جنس فولاد ضد زنگ میباشد (هاوارد، 1998)؛ تغییرشکل دیافراگم اول تحت تاثیر فشار سیال باعث جابجا شدن یک سیال واسطه که تراکمناپذیر و همچنین غیرخورنده است خواهد شد. معمولاً از روغن سیلیکون که جاذب ضربه و ارتعاش نیز هست به عنوان سیال انتقال دهنده استفاده میکنند. این سیال، فشار را به دیافراگم دوم که عمدتاً غیر فلزی میباشد، منتقل میکند (عبدالکریم ماندگاری، 1393).

شکل 2-6- دیافراگم کپسولی
از آنجاییکه نصب دیافراگم ها باید شرایط خاصی مانند نصب شدن بین دو فلنج را داشته باشد، تعویض و کالیبره نمودن آنها مشکل میباشد. به همین جهت، در بسیاری از موارد از یک کپسول که شامل دو دیافراگم فلزی متصل به هم تشکیل یافته، استفاده میشود. این کپسول از طریق یک لوله به سیال مورد اندازهگیری متصل میباشد. هنگامی که سیال فرآیندی وارد کپسول میشود با اعمال فشار به دیواره کپسول باعث تغییر شکل دیوارههای دیافراگمی آن میشود (هاوارد، 1998).
کپسولها میتوانند به صورت متوالی نیز در امتداد هم قرار بگیرند و به این ترتیب میزان جابجایی ایجاد شده افزایش یابد. سنسورهای دیافراگمی در مقایسه با سنسور بوردون، به جهت دارا بودن سطح اتکاء بیشتر، نسبت به ارتعاشات محیط حساسیت کمتری دارند (عبدالکریم ماندگاری، 1393). همچنین این سنسورها، کاربرد زیادی برای اندازهگیری فشار سیالات ویسکوز دارند. لازم به ذکر است، عیب عمده دیافراگمها تنظیم نقطه صفر میباشد (هاوارد، 1998).
دیافراگم 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 سیلیکونی استفاده میکنند. 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 (دروما، 2008). با استفاده از یک دیافراگم و حفره فشار یک خازن متغیر ایجاد شده تا کشش ناشی از فشار اعمالی را آشکار کرده و به این ترتیب ظرفیت خازنی مطابق تغییر شکل فشار دیافراگم کاهش مییابد. این تکنولوژیهای رایج از دیافراگمهای فلزات، سیلیکون و سرامیک استفاده میکند (هاوارد، 1998)
گیج های کشش پیزو رزیستور33
از اثر پیزو رزیستور گیج های کشش قرارداده شده بر روی تکیهگاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده میکند. انواع تکنولوژی های معمول سیلیکون (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلیسیلیکن، ورق فلز قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم. عموما گیج های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال مییابند تا خروجی سنسور را حداکثر کنند (دروما، 2008). این معمول ترین تکنولوژی به کار گرفته شده برای اهداف عمومی اندازهگیری فشار است. این تکنولوژی ها با اندازهگیری فشار مطلق، گیج، خلاء و فشار تفاضلی وفق داده میشوند ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
استرین گیج
استرین گیج ها معروفترین اندازهگیرهای الکتریکی فشار هستند و اساساً برای اندازهگیری فشارهای بالا مورد استفاده میگیرند. هر گاه بر جسمی نیرو وارد شود(کشش یا فشار)جسم در جهت نیرو تغییر طول میدهد (سلطانی، 1388). نسبت این تغییر طول به طول اولیه جسم، تنش گفته میشود. مقاومت الکتریکی یک جسم با ابعاد و ویژگیهای الکتریکی آن جسم رابطه دارد. این رابطه به صورت ذیل است (هاوارد، 1998):
(رابطه (2-3
R=P L/A
که در این رابطه Lطول جسم P ضریبی است که مقاومت مخصوص جسم نامیده میشود. این رابطه نشان می دهد که هر گاه طول جسم افزایش یا مقطع آن کاهش یابد مقاومت الکتریکی جسم افزایش مییابد.
انواع حساسههای اندازهگیر
حساسههای اندازهگیر در واقع چشم سیستمهای کنترل محسوب میشوند و با کمیسازی مقادیر فرایندی، کنترلکننده را از وضعیت موجود در فرایند آگاه ساخته و در نتیجه کنترلکننده فرمان مورد نیاز را به محرک جهت کنترل فرایند و رسیدن به نقطه تنظیم مورد نظر ارسال مینماید. هر دستگاه اندازهگیری شامل سه جزء اساسی سنسور، ترانسدیوسر و ترانسمیتر میباشد (مرادی، 1394).
سنسور
سنسور قطعهای است که به پارامترهای فیزیکی نظیر حرکت، حرارت، نور، فشار، الکتریسیته و مغناطیس و دیگر حالات انرژی حساس است و در هنگام تحریک آنها از خود عکس العمل نشان میدهد و برای این عکس العمل نیاز به انرژی خارجی ندارد (دروما، 2008؛ ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
ترانسدیوسرها
ترانسدیوسر34 قطعهای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد، سنسور پارامتر مورد اندازهگیری را به ترانسدیوسر تحویل میدهد، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال قابل درک برای کنترلر تبدیل میکند لذا برای انجام این تبدیل نیاز به یک منبع انرژی خارجی دارد (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
ترانسمیتر
ترانسمیتر وسیلهای است که یک سیگنال خروجی ترانسدیوسر را به سیگنال استاندارد قابل انتقال تبدیل مینماید. از معروفترین استانداردهای ترانسمیترها میتوان به استاندارد mA20-4 اشاره کرد (عبدالکریم ماندگاری، 1393؛ مرادی، 1394).
کنترل کننده ابزار دقیق
قسمت دوم ابزار دقیق بخش کنترل میباشد. کنترل عبارتست از سوق و نگهداری یک یا چند فرآیند به وضعیت یا وضعیتهای مطلوب یا مورد نظر. این مفهوم در برگیرنده کنترل کمی، کیفی، حفظ ایمنی و محیط زیست میباشد که اهداف اساسی کنترل میباشند (مرادی، 1394).
مشخصات دستگاههای اندازهگیری ابزار دقیق
یک وسیله اندازهگیری یا یک ابزار دقیق میبایست دارای ویژگیها و قابلیتهایی باشد تا بتواند نیازهای طراح را برآورده کند (مرادی، 1394). مهمترین این ویژگی ها عبارتند از (عبدالکریم ماندگاری، 1393):
دامنه اندازهگیری
محدودهای از دامنه تغییرات کمیت مورد اندازهگیری است که عنصر اندازهگیر قادر به اندازهگیری آن میباشد یا به عبارت دیگر تفاضل بین کمترین و بیشترین کمیت اندازهگیری را که دستگاه در آن محدوده عمل میکند دامنه نامیده میشود.
دقت
اندازهگیری فشارهای متفاوت بهترین راه ساختن یک سنسور با حداکثر دقت ممکن است. به این دلیل که فشار مرجع، نسبت به فشار اتمسفر بیشتر تحت کنترل کاربر است. چون تمرکز فشار اتمسفر بیشتر در اندازهگیری فشار گیج مطرح میگردد (مرادی، 1394).
دقت به عنوان خطای مقدار خوانده شده به مقدار واقعی به شمار میآید. این کمیت به شکل درصد بیان میشود و بستگی به حداکثر دامنه دارد. بنابراین در یک دستگاهی که صفحه مدرج آن بین 0تا100 درجه درجهبندی شده است، خطایی به اندازه یک واحد از صفحه مدرج به عنوان دقت یک درصد در نظر گرفته میشود. با توجه مطلب بالا در دستگاهی با صفحه مدرج بین 0تا 100 خطایی ناشی از خواندن 49 برای مقدار واقعی 50به معنای 1% است نه دقت 2% به بیان دیگر در هر حالت دقت بستگی به حداکثر دامنه صفحه مدرج دارد (مرادی، 1394).
تکرارپذیری
تکرارپذیری یک دستگاه اندازهگیری عبارات از این است که دستگاه حد معینی را همیشه و در هر حال یک اندازه بخواند. این بدان معنی است که اگرکمیت اندازهگیری چه درحال زیاد شدن، چه کم شدن و چه تند و یا کند به آن حد معین برسد، مقداری که میخواند در هر حال یک اندازه باشد (عبدالکریم ماندگاری، 1393).
حساسیت
حساسیت به معنای توانایی دستگاه در پاسخ به تغییرات جزیی در کمیت مورد اندازهگیری است ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371). حساسیت کمترین مقدار تغییر در کمیت ورودی دستگاه اندازهگیر است که می تواند قطعات آن را به مقدار موثری حرکت دهد؛ این میزان حرکت در بسیاری موارد به اندازهای کم است که با چشم قابل دیدن نیست. داشتن ضریب حساسیت به ویژه برای دستگاههای کنترل کننده ضروری است (سلطانی، 1388).
پایداری
پایداری توانایی کار دستگاه در دراز مدت و با دقت کافی است؛ یا به عبارت دیگر توانایی یک دستگاه در کار کردن برای مدتهای طولانی بدون تغییر در دقت و حساسیت آن دستگاه میباشد (عبدالکریم ماندگاری، 1393). برای دسترسی به پایداری باید قطعات به کار رفته در دستگاه از جنسی ساخته شوند که در برابر خوردگی مقاوم بوده و خواص فیزیکی آن در حین کار دچار تغییر نشود. خواص فیزیکی عبارتند از: مقاومت در برابر خستگی، مقاومت کششی مقاومت در برابر ارتعاشات و پایداری در برابر تغییرات دما (مرادی، 1394).
پاسخ دهی
یک اندازهگیر خوب باید کمیت مورد اندازهگیری را به سرعت اندازهگیری نماید. اما در عمل اندازهگیرها با تاخیر زمانی این کار را انجام میدهند. تاخیر زمانی عنصر اندازهگیر باید از کوچکترین تاخیر زمانی موجود در حلقه کنترل بسیار کوچکتر باشد. خوشبختانه در فرآیندهای صنعتی معمولا تاخیر زمانی فرآیند و سایر قطعات حلقه کنترل بسیار بزرگتر از تاخیر زمانی اندازهگیر است؛ بنابراین مشکلی ایجاد نمیشود، اما به هر حال هنگام استفاده از یک اندازهگیر میبایست به تاخیر زمانی آن توجه نمود (مرادی، 1394).
محدودیت های اندازهگیری فشار
رنج اندازهگیری
بیانکننده مینیمم و ماکسیمم فشاری است که بدون آسیب به سنسور برای سنسور طراحی گردیده است. این معیار برای سنسورهای تفاضلی و گیج بسیار ضروری است (عبدالکریم ماندگاری، 1393)؛ به این دلیل که اندازهگیری آنها نسبی بوده و اگر میزان بزرگنمایی فشار مرجع بیشتر از این مقدار باشد، سنسور کار نخواهد کرد (سلطانی، 1388).
ابعاد سنسور
وابسته به نوع کارایی، سایز سنسور مطابق نوع فضایی که نیاز است فشار حس شود، متغیر است. از این رو ابعاد سنسور بحث بسیار مهمی در طراحی سنسور به شمار میرود (مرادی، 1394). معمولاً سنسورها در سایزهای کوچکی طراحی شده و در بسیاری از کاربردها ترجیح داده میشوند ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
دمای کاری
در این جا محدوده دما تحت شرایط کاری سنسور مطرح میگردد و همیشه نیاز است که سنسور در رنج دمای تعریف شده کار کند. در نتیجه میتوان گفت خروجی همواره ثابت باقی میماند. در شرایط محیطی خیلی سرد یا خیلی گرم ممکن است سنسورها به درستی کار نکنند. این دمای کاری مخصوصا در سنسورهای فشار الکترونیکی به کار گرفته شده و میتوان مورد استفاده از آنها را در کامپیوترهای صفحه لمسی و یا دیگر دستگاهها مشاهده نمود (مرادی، 1394).
نوع اندازه گیری
این هم یک فاکتور مهم برای کاربر به شمار می رود. کاربر باید نوع فشار اندازهگیری شده توسط سنسور را بداند (عبدالکریم ماندگاری، 1393). مثلاً این فشار فشار مطلق است، گیج است یا تفاضلی. به این دلیل که تکنیکهای متفاوت اندازهگیری با متدهای پردازش متفاوت دنبال شده و از این رو خروجی مطابق با آن تغییر میکند (سلطانی، 1388).
نوع خروجی تولید شده
خروجی الکتریکی تولید شده توسط سنسور میتواند وابسته به طراحی و خروجی مورد نیاز دستگاه متفاوت باشد. برخی از فرمتهای خروجی تولید شده را میتوانیم به این صورت مطرح کنیم (مرادی، 1394): ولتاژ آنالوگ، سیگنال دیجیتال (TTL، تداخلRS232 و کلید شیفت فرکانسی وابسته به پروتکل HART) ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
زمان پاسخ
این ویژگی بیانگر زمان گذرانده شده بین ورودی اعمال شده و خروجی حاصله است. انتظار میرود که سنسورهای فشار، زمان پاسخ کمی داشته باشند تا بتوانند خروجی آنی را تولید کرده و فشار را سریعتر حس کنند؛ بنابراین به همین ترتیب سیستم میتواند پاسخ سریعتر یا به اصطلاح سوئیفتتری داشته باشد (سلطانی، 1388).
ولتاژ آفست
ولتاژ آفست میتواند به عنوان ولتاژ خروجی تولید شده در نظر گرفته شود. البته در زمانی که هیچ ورودی اعمال نشده باشد. در خصوص سنسورهای تفاضلی میتوان گفت ولتاژهای آفست وقتی تولید میشود که هیچ فشار مرجعی آنجا وجود نداشته باشد. در خصوص سنسورهای گیج هم میتوان گفت؛ ولتاژ آفست وقتی تولید میشود که فشار محیط به سنسور وارد شده باشد. ولتاژ آفست برای کاهش خطا در خروجی مورد نیاز بوده و خروجی نهایی پس از کاهش ولتاژ آفست از آنها محاسبه میشود.
تعریف پیزوالکتریک
واژه ی پیزوالکتریک به معنای الکتریسیته ای است که ناشی از فشار می باشد، این کلمه از دو واژه ی یونانی پیزو به معنای فشار دادن و الکترون گرفته شده است (کازوماسا، 2004). پیزوالکتریک خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار میگیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی یک ولتاژ تولید میکنند (صفری، 2008)؛ 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). در کریستال هایی که دارای خصوصیات پیزوالکتریکی هستند، کمیت های مکانیکی مانند تنش، کرنش و کمیت های الکتریکی مانند میدان الکتریکی، تغییر مکان الکتریکی (چگالی جریان) و قطبیت، به هم وابسته می باشند. این پدیده کوپلینگ الکترومکانیکی نامیده می شود.
نیروهای خمشی که به وسیله پدیده پیزوالکتریسیته معکوس تولید می شود، بسیار بزرگ بوده (از مرتبه۱۰ مگانیوتن) و اغلب قابل تحمل نیستند. تنها دلیلی که این نیروها اغلب مورد توجه قرار نمی گیرند آن است که نیروهای مذکور جابجایی هایی از مرتبه چند نانومتر را موجب می شوند. موادی می توانند خاصیت ناهمسانگردی از خود نشان دهند؛ مانند خاصیت پیزوالکتریسیته که ساختار کریستالی آن ها مرکز تقارن نداشته باشد. ۲۱ ساختار کریستالی از ۳۲ تا بدون تقارن مرکزی هستند. یک ساختار کریستالی بدون مرکز تقارن از لحاظ کریستالوگرافی یک یا بیشتر از یک محور جهت دار منحصربه فرد دارد. همه ۲۱ دسته کریستال بدون تقارن مرکزی به جز یکی تاثیر پیزوالکتریکی را در طول محورهای جهت دار از خود نشان می دهند. از این۲۰ دسته پیزوالکتریک،۱۰ تا از آن ها تنها یک محور منحصربه فرد دارند (صفری، 2008). چنین کریستال هایی،کریستال های قطبی نامیده می شوند، بطوریکه آن ها قطبیت خودبه خودی را نشان می دهند. مقدار این قطبیت به دما بستگی دارد، که این تاثیر پیروالکتریک نامیده شده است. با توجه به اینکه در کریستال های پیروالکتریک بزرگی و جهت قطبیت آن ها می تواند توسط میدان الکتریکی بیرونی معکوس شود، می توان گفت که از خود خاصیت فروالکتریکی نشان می دهند. بیشتر مواد پیزوالکتریکی جامدات کریستالی هستند (وویگت،1910). آن ها می توانند کریستال های منفردی باشند که یا به طور طبیعی یا با فرایندهای مصنوعی شکل گرفته باشند، یا مواد چند بلوری مانند سرامیک های فروالکتریکی که می توانند با پیزوالکتریک پوشیده شده و با توجه به مقیاس ماکروسکوپی یک کریستال منفرد متقارن با فرایند قطبی سازی شکل گرفته باشد. تاثیر پیزوالکتریکی می تواند در کریستال های تشکیل شده از یک نوع عنصر نیز ظاهر شود (در این مورد، قطبیت بعلت اغتشاش در پخش الکتریکی است). پلیمرهای ویژه می توانند همچنین با کشیده شدن تحت یک میدان الکتریکی پیزوالکتریک شوند (دنیاماتی و همکاران، 1391).

شکل ۲-7- نمودار میدان الکتریکی- کرنش مواد PZT
مواد پیزوالکتریک
بسیاری مواد چه طبیعی چه ساخته دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می کنند. این مواد عبارتند از: کریستال های ذاتی، برلینیت35 یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است، نیشکر، کوارتز، نمک راشل، زبرجد هندی، مواد معدنی گروه تورمالین، استخوان: استخوان بی آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می کند. مطالعات نشان داده این ها به خاطر کریستال های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست؛ بلکه به خاطر کلاژن است. کلاژن در ساختارش جهت گیری محوری قطبی مولکول های دوقطبی را ذخیره می کند و می توان آن ها را بیوالکتریت محسوب کرد، یک نوع ماده دی الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دو قطبی 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. همچنین تاندون، ابریشم، چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)، مینای دندان، عاج دندان، کریستال های دست ساز مانند (اینترنت):
گالیم ارتوفسفاته36 کریستالی مشابه کوارتز
لانگاسیت37 کریستالی مشابه کوارتز
سرامیک های دست ساز مانند:
خانواده سرامیک های دارای ساختارهای پروسکایت یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می دهند (کازوماسا38، 2004؛ وویگت، 1910):
تیتانات باریم39 (اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
سرب تیتانات40
تیتانات زیرکونات سرب
نیوبات پتاسیوم41
نیوبات لیتیم42
لیتیم تانتالات43
سدیم تنگستات44
پیزوسرامیک های بدون سرب (کازوماسا، 2004):
نیوبات پتاسیوم سدیم45
بیسموت فریت46
نیوبات سدیم47
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 (دروما، 2008)، در پلیمرها مولکول های زنجیره بلند مزدوج هنگامی که در محدوده یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند یکدیگر را جذب و دفع می کنند (دنیاماتی و همکاران، 1391).

شکل 2- 8- ساختار ساده شده سلول کوارتز ترتیب یون های Si وO با محورهای اصلی

جدول 2- 1: خصوصیات نمونه PVDF و PZT
اثر پیزوالکتریک
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 (کازوماسا، 2004)؛ 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 (وویگت،1910). به عنوان مثال سرامیک هایPZT 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 (کازوماسا، 2004). خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده رفتار الکتریکی ماده است (وویگت،1910). پروسکایت48 نام خانوادهای از مواد است که دارای ساختاری همچون تیتانات کلسیم هستند (دنیاماتی و همکاران، 1391).

شکل 2-9-ساختار Provskite در PZT
رفتار پیزوالکتریک
رفتار پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش (دروما، 2008). زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود تحت کرنش قرار می گیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می نامند.
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 (وویگت،1910). پیزوالکتریک خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار میگیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید میکنند (کازوماسا، 2004)؛ از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده میکنند 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 میرود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستندههای رادیویی، گیرندههای رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی میتوان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند (وویگت،1910)؛ تحقیقات نشان میدهد 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 این است 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 (دنیاماتی و همکاران، 1391)..

شکل 2-10- تغییر جهت حوزه های قطبی در چند حوزه فروالکتریک برای پیزوسرامیک را نشان می دهد
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی ماده پیزوالکترکی 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 (کازوماسا، 2004). اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهتگیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثر مستقیم، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نبست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد (وویگت،1910). 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 کرنش 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 (وویگت،1910). 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 راهاندازی و اثر غیر مستقیم در دریاچهها مورد بهرهبرداری قرار میگیرد. به عنوان مثال، از مواد پیزو الکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها و میکروفونها) یا در آب استفاده میشود (صفری، 2008؛ دروما، 2008). در سونارها، ماهییابها و عمق یابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت بازتابیده آنرا برای اندازهگیری فاصله تا جسم ورود استفاده میکنند (کازوماسا، 2004). این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از20(KHz در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیها 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 (وویگت،1910). از امواج فراصوتی برابر تمیز کردن و صیقل دادن نیز بهرهگیری میشود. از تشدید بلورهای پیزوالکتریک 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 (صفری، 2008).
ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد
اثر پیزوالکتریک 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 (دروما، 2008). 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 (کازوماسا، 2004). 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 (وویگت،1910).
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزوالکتریک (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 جهتگیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهتگیریهای 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 (وویگت،1910). این دما را نقطه کوری مینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک پیدا میکند (کازوماسا، 2004).

شکل 2-11- طرح ساختار تک بلوری سرامیک های فرو الکتریک در زیر دمای کوری
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 پیزوالکتریک آن d = 2.3 ، X10-12 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 (وویگت،1910). در مواد 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 (دروما، 2008). 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.
اثر پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک به عنوان یک واکنش خطی-الکترومکانیکی بین دو حالت الکتریکی و مکانیکی در مواد عایق و بلورهایی که تقارن مرکزی ندارند، تعریف می شود (کازوماسا، 2004). در واقع پیزوالکتریک ها موادی هستند که در صورت اعمال فشار یا تنش به آن ها، بار الکتریکی در سطوح خاصی از آن ها ظاهر می شود. این پدیده، اثر پیزوالکتریک مستقیم نام دارد که یک فرآیند قابل برگشت است، یعنی به طور معکوس هرگاه ماده ای با این خاصیت، در یک میدان الکتریکی واقع شود، ابعاد آن تغییر می کند. در صورت وارون شدن جهت اعمال تنش یا فشار، جهت قطبش بارهای الکتریکی نیز معکوس می شود و با تغییر در جهت میدان الکتریکی اعمال شده جهت تغییر ابعاد ماده نیز، تغییر می یابد (وویگت،1910).

شکل 2-12- ساختار پیزوالکتریک
سه نوع ماده پیزوالکتریک که به طور عمده در عمل استفاده میشوند (کازوماسا، 2004) شامل سرامیکهای پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و کامپوزیتهای پیزوالکتریک میباشند که از این میان کامپوزیتها به دلیل ویژگیهای تطبیقپذیری و تنظیم شوندگی بسیار بالا توجه بیشتری را به خود جلب کردهاند (دروما، 2008). این مواد پس از طی پروسههایی جهت استفاده آسان، در کاربردهای گستردهای خود را نشان دادند (دنیاماتی و همکاران، 1391).

شکل 2-13- اثر پیزوالکتریک در کوارتز
اثر پیزو الکتریک، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (دروما، 2008). 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 همارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است (وویگت،1910). 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 هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می دهد و به ارتعاش در می آید (کازوماسا، 2004).

شکل 2-14- اثر ولتاژ بر روی تغییر طول در مواد پیزوالکتریک
استفاده های پیزوالکتریک
در سال های اخیرکاربرد مواد پیزوالکتریک بیشتر تحت سه عنوان سنسور، مبدل و محرک شناخته شده است (دروما، 2008). یک سنسور پیزوالکتریک می تواند با استفاده از اثر پیزوالکتریک مستقیم، اطلاعات را از محدوده ی مکانیکی به یک سیگنال الکتریکی قابل پردازش تبدیل کند (ویلانی، 1393). سیگنال الکتریکی تولید شده پس از اعمال اولیه ی نیرو، به سرعت کاهش می یابد. بنابراین این سنسورها برای اندازه گیری نیروهایی که در مدت زمان کوتاهی اعمال می شوند، بسیار مناسب هستند؛ اما برای اندازه گیری نیروهای استاتیکی مناسب نیستند. 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 (کازوماسا، 2004). این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است.
کاربرد پیزوالکتریک ها
کاربرد پیزوالکتریک ها رده های محتلفی دارد از جمله:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهیج، شتاب سنج و غیره).
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسک های صوتی، میکروفون، بلندگو و زنگ اخبار و غیره) (صفری، 2008؛ وویگت، 1910).
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 غیره؛ (صفری، 2008).

شکل 2-15- کاربردهای مواد پیزوالکتریک (دنیاماتی و همکاران، 1391).
مبدل های پیزوالکتریک
مبدل پیزوالکتریک وسیله ای است که یک نوع انرژی را به نوع دیگر تبدیل می کند. مبدل های پیزوالکتریک در تست های غیر مخرب و در بسیاری از کاربرد ها که نیاز به اندازه گیری دقیق در حرکت یا نیرو دارند، استفاده می شود. در این کاربرد ها اثر پیزوالکتریک به صورت معکوس عمل می کند(ویلانی، 1393). در این حالت ولتاژی به ماده ی پیزوالکتریک اعمال می شود که باعث تغییر شکل در ماده پیزوالکتریک می گردد. این تغییر شکل که می تواند به صورت کشش یا فشار باشد، متناسب با ولتاژ اعمال شده است (صفری، 2008).
محرک های پیزوالکتریک
اعمال ولتاژ الکتریکی به جسم پیزوالکتریک که سبب تغییر شکل در این جسم می شود و میزان این تغییر شکل به ولتاژ اعمالی و جهت آن بستگی دارد، به کاربرد پیزوالکتریک ها به عنوان محرک شناخته می شود. در واقع محرک های پیزوالکتریک شکلی از یک سیستم الکترومکانیک میکروکنترلی هستند (وویگت،1910) که میدان الکتریکی اعمال شده به آن ها میتواند به حرکت هایی در ابعاد میکرومتر یا نانومتر تبدیل شود.
موادی مانند ترکیبات سرب، زیرکنات، تیتانات و کوارتز که در ساختار کریستال آنها تقارن مرکزی وجود ندارد قادرند کوپلی قوی میان میدان مکانیکی و الکتریکی ایجاد نمایند (کازوماسا، 2004)؛ بدین نحو که در اثر اعمال تنش بر آنها قادرند جریان الکتریسیته تولید نموده و در اثر اعمال میدان الکتریکی تحت کرنش قرار خواهند گیرند. هنگامی که بلور تحت تاثیر فشار مکانیکی قرار گیرد قطب مثبت در یک وجه بلورهای نارسانا و قطب منفی نیز در وجه مخالف آن ایجاد میگردد (وویگت،1910).
یک ماده پیزوالکتریک دارای یک دمای کوری ویژه49 است. در اثر گرم شدن ماده تا بالای این دما، دو قطبیها میتوانند جهت خود را در مادهی فاز جامد تغییر دهند؛ یک میدان الکتریکی قوی می توان جهت دو قطبیها را با میدان اعمالی هم جهت نماید. حال اگر سرامیک در حالتی که میدان قطبی کننده ثابت نگه داشته شده باشد، تا پایین دمای کوری سرد شود (کازوماسا، 2004). نتیجه آن ثابت ماندن دائم مسیر دو قطبیها است و بعد از آن گفته میشود که ماده قطبی شده است. وقتی سرامیکهای قطبی شده تا زیر دمای کوری خود سرد شدند و تحت یک میدان الکتریکی ضعیف قرار گرفتند (در مقایسه با میدانی که برای قطبی شدن استفاده شد)، پاسخ مجموعه دو قطبیها یک انبساط ماکروسکوپی در طول محور قطبی و یک انقباض عمود بر آن میباشد (یا معکوس آن با تغییر علامت میدان اعمال شده اتفاق میافتد). دمای کاری پیزوالکتریکها اغلب زیر دمای کوری است (دروما، 2008). اگر ماده تا بالای دمای کوری گرم شود، وقتی که میدان الکتریکی اعمال نشده باشد، دو قطبیها به جهات تصادفی خود بر میگردند. در دماهای پایین نیز اعمال یک میدان بسیار قوی میتواند باعث شود دو قطبیها از مسیری که طی قطبی شدن به عنوان مسیر پایدار ترجیح داده بودند خارج شوند. مواد پیزوالکتریک بعد از خارج شدن از حالت قطبی خواص پاسخ ابعادی را به میدان الکتریکی از دست میدهند. دمای کوری بسته به نوع پیزوالکتریک در حدود200 الی 300 درجه میباشد.
مواد پیزوالکتریک تحت شرایط خاص همانند اعمال میدان الکتریکی بسیار قوی در جهت مخالف با دو قطبیشان، اعمال تنش مکانیکی شدید در اثر انحراف از محور دو قطبیشان و یا حرارت دادن بیش از دمای کوری، ممکن است اثر خود را از دست بدهند (وویگت،1910). در اغلب شرایط کاری سعی میشود که دمای محیط کاری پیزوسرامیکها کمتر از نصف دمای کوری باشد تا از آسیب کلی به آنها جلوگیری شود (کازوماسا، 2004).
خاصیت پیزوالکتریک پدیدهای کریستالی است (دروما، 2008) و مرتبط با چیدمان پیچیدهای است؛ به نحوی که در مواد با چیدمان معمولی یا تصادفی وجود ندارد. این خاصیت وابسته به ساختار کریستال میباشد. خاصیت پیزوالکتریسیتی یک پدیده متقابل تبدیل انرژی از یک نوع (الاستیک) خود به دیگری (الکتریکی) است. این در حالیست که مواد غیر متبلور (آمورف50)، برخلاف انتظار هیچ اثر الکتریکی بر اثر فشار از خود نشان نمیدهند. مواد پیزوالکتریک کاربرد وسیعی در علوم مختلف دارند. این مواد در بسیاری از وسایل که نیازمند تغییر انرژی مکانیکی به الکتریکی و یا بالعکس است استفاده می شوند.
اثر پیزوالکتریک به زبان ساده، قابلیت برخی از مواد و کریستالهاست، برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی (وویگت،1910). تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل (کوارتز) تحت کشش یا فشار همان اثر پیزوالکتریک است (دروما، 2008). پلاریته پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش همارزند و هرچه میزان فشار کشش باشد اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی بیشتر خواهد شد. اثر معکوس پیزوالکتریک (کازوماسا، 2004) نیز در این معنی تغییر شکل بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها میباشد.
انواع سنسورهای پیزوالکتریک
در پیزو الکتریک انرژیها به هم تبدیل میشوند، به همین خاطر میتوانیم از آن به عنوان سنسور (حسگر) بسیار حساس استفاده کنیم (دروما، 2008). این ویژگی به آن ها اجازه می دهد به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کنند. به این علت که آن ها در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می کنند. بنابراین انواع مختلفی از سنسورها به کمک این ویژگی ساخته شدهاند که به عنوان نمونه به برخی از آنها اشاره میکنم ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371):
حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک
از این حسگر در تشخیص حرکات دست هنگام فیلمبرداری و عکسبرداری توسط دوربین و سنجش سرعت زاویهای و حرکات دورانی در هواپیماها و انواع سیستمهای متحرک استفاده میشود (دروما، 2008؛ ویلانی، 1393).
حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک
این حسگر میتواند پارامترهای مکانیکی مانند شتاب، نوسان و لرزش را ثبت کند. حتما شتاب سنج به کار رفته در موبایل را که باعث چرخش صفحه هنگام چرخش موبایل میشود دیدهاید (ویلانی، 1393).
حسگرهای صوتی پیزوالکتریک
از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها، میکروفونها) یا در آب استفاده می شود (دروما، 2008). در سونارها، ماهییابها و عمقیابها از تاخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده برای اندازهگیری فاصله تا جسم استفاده می کنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد بیشتر از20KHz در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیها و نقصهای داخلی نیز بکار میرود (صفری، 2008). در این سنسورها تراکم و انبساطهای موج صوتی تبدیل به کمیت الکتریکی میشود ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد

شکل 2-16-ساختار مولکولی پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک با ساختار مولد ارتباط دارد (وویگت،1910). وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندک از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد یک دو قطبی حاصل میشود؛ این پدیده در موادی رخ میدهد که ساختارهای بلوری آنها نامتقارن است. در برخی 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 کرنش مکانیکی پدید آورد (دروما، 2008). از سی و دو بلور، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارن هستند، بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریک از خود بروز میدهند و 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 تغییر کند، میزان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر میکند و بار روی الکترود تغییر میکند. این فاصله را همچنین میتوان یا اعمال میزان الکتریکی تغییر داده که به پیدایش کرنش مکانیکی منجر میشود (وویگت،1910).
زمینه ی وسیعی از کاربردهای مواد پیزوالکتریک وجود دارد و با وجود این مساله که این مواد نزدیک به یک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند، ولی هنوز هم پتانسیل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات دیگر را دارند (کازوماسا، 2004).
در شکل زیر جهت گیری دو قطبیها در بلور چندگانه سمت راست و بلور یگانه در سمت چپ را می بینید:

شکل 2-17- جهت گیری دو قطبیها در بلور چندگانه
پیزوالکتریک تولیده شده و بلور چندگانه به ترتیب اثرگذاری، تحت تاثیر دمای ایجاد شده توسط یک میدان الکتریکی قوی هستند. گرمای مجاز برای مولکول ها موجب جابجا شدن آزادانه الکترون ها و نیروی میدان الکتریکی دو قطبیهای در این بلور و بلورهایی در همان نزدیکی بصورت هم راستا می شود (کازوماسا، 2004).
کاربردهای اثر پیزوالکتریک
حوزه های زیادی وجود دارد که پدیده ی پیزوالکتریک در آنها بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. اثر پیزوالکتریک تنها در مواد غیر هادی رخ می دهد و بطور گسترده اینگونه بیان می گردد که مواد پیزوالکتریک به دو گروه کریستال ها و سرامیک ها تقسیم می شوند (دروما، 2008).
* فندک های الکتریکی از پدیده پیزوالکتریک برای روشن شدن بهره می گیرند. وقتی که دکمه فندک الکتریکی را فشار می دهید، چکش فنری ضربه ای ناگهانی به ماده ای پیزوالکتریکی تعبیه شده در فندک زده و یک ولتاژ بالایی تولید می کند. در نتیجه گاز را مشتعل می نماید.
* همچنین بسیاری از اجاق ها و گریل ها با کریستال های پیزوالکتریکی درون ساخت عرضه می شوند.
* سنسورهای پیزوالکتریکی در گیتارهای آکوستیک و دیگر تجهیزات محبوب شده اند. گوناگونی های موجود در فشار، در فرم صدا به آسانی با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک قابل آشکارسازی است (صفری، 2008).
* در ترانس دوسرهای اولتراسونیک (مورد استفاده برای عکس برداری پزشکی) از ایده ی پیزوالکتریکی استفاده می شود.
* کریستال های پیزوالکتریک در آشکارسازی و ایجاد امواج صوتی نیز استفاده می شوند (کازوماسا، 2004).
* سونوشیمی، پردازش های صنعتی و چندین شاخه از مهندسی فیزیک از کریستال های پیزوالکتریک استفاده می کنند (دروما، 2008).
* در محرک ها سرامیک های پیزوالکتریک استفاده می شود چون پهنا و الکتریسیته تولید شده توسط این کریستال ها را می توان با دقت درستی بسیار بالایی اندازه گرفت.
* بلندگوها، موتورهای پیزوالکتریکی، پرینترهای جوهرافشان تعدادی دیگر از وسایلی هستند که در آنها اثر پیزوالکتریک استفاده میگردد ( ه‍اپ‍ت‍م‍ن، 1371).
* در میکروسکوپ ها، بخصوص میکروسکوپ های اتمی (که با نیروی اتمی کار می کنند) و میکروسکوپ های اسکنینگ تونلینگ پدیده ی اثر پیزوالکتریک استفاده می شود.
اثر فشاربرقی
یکی از ویژگی های غیرمعمولی که برخی سرامیک ها از خود بروز می دهند، پدیده پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی های این سرامیک ها تحریک می شوند و میدان الکتریکی ایجاد می شود. وارونه کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می کند (دروما، 2008).
سازندگان سنسور فشار
تقریبا میتوان گفت بیش از۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسورهای فشار هستند که از جمله برندهای معتبر بازار میتوان به موارد زیر اشاره کرد (اینترنت):
1- سنسور فشار هاگلر51
2- سنسور فشار اتک52
3- سنسور فشار ترافاگ53
4- سنسور فشار امرسون54
5- سنسور فشار اشکراف55

مروری بر مطالعات گذشته
از قرنها قبل بومیهای سبلان و هند متوجه خاصیت ویژه کریستالهای کهربا شدند. با انداختن این کریستالها در خاکستر داغ ابتد یکدیگر را جذب کرده و بعد از چند لحظه یکدیگر را دفع میکنند. این تجربه با آوردن کهربا به اروپا توسط یک بازرگان هلندی در آغاز قرن هجدهم وارد شد (واژه کریستال ریشه یونانی داشته و به معنی منجمد شده در اثر سرما میباشد) آنها اعتقاد داشتند که اگر آب مدتی در دماهای بسیار پایین نگه داشته شود به حالتی در میآید که در دماهای بالا پایدار است. کهربا مغناطیس نامیده شد در سال 1756 منشاء الکتریکی خاصیت آن توسط مخترع آلمانی (مخترع خازن الکتریکی) کشف شد. این خاصیت توسط فیزیکدان اسکاتلندی دی برستر در سال 1824 پیروالکتریسیته نامیده شد. میتوان خاصیت پیروالکتریک را به عنوان قطبیت القایی ناشی از جذب انرژی گرمایی تعریف کرد. قطبیت القایی متناسب با تغییر دما ایجاد شده است. عکس این حالت با دامنه خیلی کمتر اثر الکتروکالوریک نامیده شده است. خاصیت پیزو الکتریک اولین بار در سال 1817 توسط کانیشناس فرانسوی رن جاست هوی گزارش شد. اولین اثبات آزمایشگاهی ارتباط موجود بین پدیدههای پیروالکتریک ماکروسکوپی و ساختار کریستالوگرافی در سال 1880میلادی توسط پیر کویری انتشار یافت؛ سپس کلوین نظریه آنها را بیشتر تکمیل کرد. البته لازم به ذکر است که تنها اثر پیزوالتکریک مستقیم مورد توجه برادران کیوری قرار گرفت و اثر پیزوالتریک معکوس در سال 1881 توسط لیپمن بر اساس روابط ریاضی از قوانین ترمودینامیک استنتاج شد. ولی بلافاصله برداران کیوری آن را با آزمایشات خود تایید کردند. این پدیده در سال 1881 توسط هانکل پیزوالکتریسیته نام گرفت. پس از تنها دو سال تعاملات علمی اروپا، هسته علم کاربردی پیزوالکتریک یعنی شناخت هویت کریستاپیزوالکتریک بر اساس ساختار کریستالی نامتقارن، تبدیل برگشتپذیر انرژی مکانیکی و الکتریکی به هم و به کارگیری قوانین ترمودینامیک برای تعیین نحوه ارتباط پیچیده بین متغیرهای مکانیکی، حرارتی و الکتریکی شکل گرفت. در 25 سال بعد یعنی تا سال 1910 میلادی کارهای بسیاری برای تبدیل این هسته به یک چهارچوب کامل صورت گرفت که در آن 20 کلاس کریستالی طبیعی با خاصیت پیزوالکتریک و 18 ضریب پیزوالکتریک به همراه رفتار دقیق ترمودینامیکی کریستالهای جامد تعریف گردید (دنیاماتی و همکاران، 1391). قانون بویل قانونی در علم شیمی است که بیان می کند حجم گازها با وارد شدن فشار به طور منظم کاهش می یابد؛ به عبارت دیگر، در گازها همواره میان حجم و فشار رابطه ای وارونه وجود دارد. این قانون را دانشمند انگلیسی، رابرت بویل (۱۶۲۷-۱۶۹۱) کشف کرده است. این قانون با عنوان قانون بویل-ماریوت نیز شناخته می شود(اینترنت).
ژوزف لویی گیلوساک56 شیمیدان مشهور فرانسوی است که برخی از قوانین مربوط به گازها از جمله قانون گیلوساک را کشف نمود (اینترنت).
وی در سال ۱۸۰۲ میلادی به طور مستقل کشف شیمیدان دیگری به نام ژاک شارل57 را تکرار کرد. شارل قبلاً نشان داده بود که به ازای هر درجه افزایش دمای یک گاز، حجم آن بالا می رود (انبساط مداوم گاز). در سال 1820 تشخیص داد که فشار گاز محبوس شده در یک لوله علاوه بر حجم به درجه حرارت نیز بستگی دارد.
اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس58 و فرنز آپینوس59 مطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی60 و آنتونی سزار بکورل61 ادعا 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 کیوری62 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 لیپماندر63 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 آوردند.
در چند دهه 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 سال۱۹۱۰ 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 (سایتو و همکاران، 2004).
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. بازتابسنج های ماوراء صوت می توانستند ترک های فلزات را در ریخته گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد (میناری، 2009).
در جریان جنگ جهانی دوم گروه های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن دسته 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 با ویژگی هایی منحصر بفرد شد (سایتو و همکاران، 2004).
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. نتیجه آن تسهیل استفاده در صنایع 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 (میناری، 2009).
فشارسنجهای بوردونی براساس این اصل کار می کنند که یک لوله تخت تحت فشار تمایل دارد به سطح مقطعی دایره ای تغییر شکل پیدا کند(ویکیپدیا). 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 (میناری، 2009). 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 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 (ویلیام64، 2005). همچنین در 1849 میلادی برنادر شائفر در ماگدبرگ آلمان فشارسنج دیافراگمی را با موفقیت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنجهای بوردنی انقلابی در اندازهگیری 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(اینترنت).
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی مواد می باشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است (وویگت،1910)، این اثر را برادران کوری، پی یر و ژاک کوری، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می دهند مواد پیزو الکترکی نامیده می شوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیکها، بسپارها و مواد مرکب دیده می شوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلور در تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامد تیتانات زیرکونات سرب کشف شد (سایتو و همکاران، 2004).
به سبب تلاشهای برادران کیوری در1880 مفهوم پیزوالکتریک بوجود آمد. این فیزیکدانان کشف کردند که کریستالهای مشخصی وجود دارند که وقتی که استرس یا کشش مکانیکی بر آنها اعمال میگردد بصورت الکتریکی قطبیده (پولاریزه) میشوند (میناری، 2009).

شکل 2-18- برادران کیوری و گابریل لیپمن65
بنابراین تمام المانهای مکانیکی نظیر استرس، کشش، تراکم (فشردگی) و کشیدگی میتوانند ولتاژهایی را در کریستالهایی مشخص تولید کنند. این نیرو منتهی به تولید بارهای الکتریکی متناوب بر وجههای مخالف آن میشود و متعاقباً آن میتواند برای تولید ولتاژ الکتریکی استفاده شود (سایتو و همکاران، 2004).
مادهای میتواند از خود خواص پیزوالکتریک ارائه دهد که سلول واحد آن هیچگونه مرکز تعادلی نداشته باشد (وویگت،1910). خاصیت پیزوالکتریسیته به گروهی از مواد تعلق دارد که در سال1880 به وسیله پیروژاکوپ کوری در طی مطالعات آنها بر روی آثار فشار بر روی تولید بار الکتریکی در کریستالهای کوارتز، کهربا و نمک راچل66 کشف شد. در سال 1881 واژه پیزوالکتریسیته توسط وی هانکل67 برای اولین بار برای نامگذاری این اثرات پیشنهاد شد. البته اثر معکوس این خاصیت توسط لیپمن از قوانین ترمودینامیک استنباط شد. در سه دههی بعد، همکاریهای فراوانی در انجمنهای علمی اروپا در زمینهی پیزوالکتریسیته انجام شد واژهی میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده بر روی رابطه میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزوالکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند مواد پیزو الکترکی نامیده 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 کشف شد(میناری، 2009).
اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه۱۹۷۰ و اوایل۱۹۸۰ 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 (سایتو و همکاران، 2004).
تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا68در 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. مجیدی و همکاران درمقاله خود به بررسی عملکرد فشارسنج پیرانی مبتنی بر فناوریMEMS (بیبی و همکاران، 2004) و روابط و معادلات فشار و انتقال گرما پرداخته و در نهایت این معادلات با توجه به شرایط زیر, در سیمولینک نرم افزار مطلب شبیه سازی شده است (اینترنت)؛ نگه داشتن دمای میکروپل در 49.5 وجود گاز غالب نیتروژن در اطراف میکروپل؛ در نظر گرفتن هدایت گرمایی از طریق انتقال حرارت بین میکروپل و گاز اطراف آن و حذف اتلاف حرارتی ناشی از همرفت, تشعشعات گرمایی میکروپل, و هدایت گرمایی سه بعدی میکروپل شبیهسازی به صورت سیستم لایول69 انجام شده است (میناری، 2009). یعنی در شبیه سازی بلوکهایی در نظر گرفته شده است که میتوان مشخصات فیزیکی قطعه (میکروپل) را در آنجا تغییر داد. به همین دلیل شبیهسازی ساختارهای مختلف را میتوان با این روند انجام داد. در این صورت میتوان نتایج عملکرد قطعه را مشاهده نمود و مقدار حساسیت و دقت قطعه را تعیین کرد و در نهایت با توجه به شرایط بالا و در نظر گرفتن ابعاد میکروپل برابر با عرضμm1 طول μm1000 و ضخامت μm5/0 به فشارسنج پیرانی با عملکردی با دقت Torr 1رسید (سایتو و همکاران، 2004).
ندا جودی و همکاران در مطالعهای فشارسنج و شتاب سنج نوری جدیدی مبتنی بر ادوات میکروالکترومکانیک با استفاده از تداخل سنج مجتمع در دریچه لیتیوم نیوبات طراحی کردند. در این حسگر با اعمال فشار و شتاب، دریچه دچار کرنش می شود و به علت اثر فوتوالاستیسیته تغییرات ضریب شکست در موج بر نوری واقع در دریچه ایجاد می شود. تغییر ضریب شکست باعث تاخیر فاز نور منتشر شده در موج بر گردیده و این تغییر فاز توسط تداخل سنج به تغییرات شدت نور تبدیل می شود، برای محاسبه تنش ایجاد شده در دریچه از نرم افزار انسیس استفاده شد و حساسیت فشارسنج و شتاب سنج طراحی شده به دست آمد (جودی و همکاران، ۱۳۹۴).
ویلانی و همکاران به تجزیه و تحلیل تجربی پکیج فشارسنج میکروالکترومکانیکی پرداختند. آنها ابتدا به مدلسازی ریاضی پرداخته سپس به شبیه سازی کامپیوتری با استفاده از نرم افزار کامسول پرداخته و با استفاده از آن مقادیر خروجی ولتاژ حساسیت از حسگر فشار میکرو الکترومانیکی پیزو مقاومتی محاسبه گردید. آنها نشان دادند که پکیج فشار سنج میکروالکترو مکانیکی دارای حساسیتی کمتر از 5/0درصد است و قادر بر اندازهگیری تا 6 بار با دقت 5/0میباشد.
بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام آی تی، ژونگ لینگ ونگ70 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 (وانگ، 2009).
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 (وانگ، 2009). 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 (ویکیپدیا). 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 وسیله کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم ها می شود که به تولید جریان الکتریکی می انجامد (وانگ، 2009). 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 (وانگ، 2009).
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 (میناری، 2009). 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 (وانگ، 2009).
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 (وانگ، 2009).

1- منابع
دنیاماتی، ا؛ قریب، م؛ رودی، ه؛ 1391؛ "پیزوالکتریک و کاربردهای آن"، انتشارات الیاس،تهران.
جودی و همکاران، ۱۳۹۴؛ "طراحی و شبیه سازی فشارسنج و شتاب سنج مبتنی بر MEMS"، همایش یافتههای نوین در هوافضا و علوم وابسته، تهران، دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران.
سلطانی، م، 1388؛"دستگاهای اندازهگیری"چاپ شانزدهم، انتشارات دانشگاه تهران.
سبزپوشان ، ح،1393؛"اصول و اجزاء کنترل صنعتی"چاپ دوازدهم، انتشارات دانشگاه علم و صنعت.
شاکری، م،1394؛"مقدمه ای بر تئوری ورق و پوسته جدار نازک" جلد اول،انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
مرادی، ع، 1394؛"آشنایی با سنسورها و کاربرد آنها"چاپ اول، انتشارات ادبستان.
مجیدی، م، ۱۳۹۲؛ "شبیهسازی فشارسنج پیرانی مبتنی بر فناوری MEMSبا نرم افزار"matlab، اولین همایش ملی برق و کامپیوتر جنوب ایران، خورموج، دانشگاه آزاد اسلامی واحد خورموج.
فرانک، ج. بلت؛ ۱۳۸۲؛"جریانهای الکتریکی دائم در فیزیک پایه"، ترجمه محمد خرمی، چاپ نهم، تهران، موسسه فرهنگی فاطمی.
فخار،م؛ مهنام، آ؛ ادریسی، م؛ 1392؛ "برداشت انرژی از راه رفتن جهت تامین انرژی یک سیستم الکترونیکی با استفاده از مبدل پیزوالکتریک".مقاله پژوهشی
ویلانی، س، 1393؛ "شبیهسازی و بررسی تجربی پکیج فشارسنج میکرو الکترو مکانیکی پیزو مقاومتی بر اساس الزامات عملکرد صنعت پتروشیمی", مجله مهندسی مکانیک مدرس, دوره 14 شماره 16, اسفند 1393

1 Zirconium
2 Titanium
3 Poly Vinyli Dene Fluoride
4James Watt
5Metric Sys
6 Sevres
7 Blaise Pascal
8 Evangelista Toricelli
9 Christiaan Huygens
10 Bourdon-manometer
11 Inductance
12 linear variable differential transformer
13 Dr. Edwin Hall
14 Resistance Thermo Detector
15 M.Piperni
16 Blaise Pascal
17 Gauge
18 Single Leg Manometer
19 V-Tube Manometer
20 Inclined Manometer
21 Bourdon Tube
22 C-Tube
23 Bellows Tube
24 Helical Tube
25 Spiral Tube
26 Capsule
27 Diaphragm

28 Electrical Pressure Measurement
29 Strain-Gages
30 Capacitive Pressure Measurement
31 Piezoelectrical Pressure Measurement
32 Bellows

33 Resistor
34 Transducer
35 AlPO۴
36 GaPO۴
37 La3Ga5SiO14
38Kazumasa
39 BaTiO۳
40 PbTiO3
41 KNbO۳
42 LiNbO۳
43 LiTaO۳
44 Na2O4W
45 NaKNb
46 BiFeO3
47 NaNbO۳
48 Provskite
49 Curie temperature
50 Amorphous
51 Hogller
52 Atek
53 Trafag
54 Emerson
55 Ashcroft
56 Joseph Louis Gay-Lussac
57 Jacques Alexandre César Charles
58 Carl Nilsson Linnæus
59 Franz Aepinus
60 René Just Haüy
61 Antoine César Becquerel
62 Jacques Curie
63 Gabriel Lippmann
64 William
65 Gabriel Lippmann
66 Rochelle salt
67 w.Hankel
68 Defense Advanced Research Projects Agency
69 system lyvel
70 Wong
—————

————————————————————

—————

————————————————————