تحقیق کاربرد پیزوالکتریک در اندازه گیرهای فشار



بسم الله الرحمن الرحیم

موضوع
کاربرد پیزوالکتریک در اندازه گیرهای فشار

پاییز 96

فهرست
مقدمه : 6
پیزو الکتریک 9
نگاه میکروسکوپی به پیزوالکتریسیته 11
تاثیرات مستقیم و معکوس 17
پلیمرها 20
سرامیک های پیزوالکتریک 22
خطا در اندازه گیری 23
2- خطای دستگاه 23
خطای دستگاه 24
طبقه بندى سیستمهاى اندازه گیرى 24
دستگاه هاى آنالوگ و دیجیتال 24
تعریف فشار 24
مشخصه های مطلوب یک سیال مانومتر 26
انواع فشار سنج های ارتجاعی 26
• لوله بوردن 26
• دیافراگمی 26
• کپسولی 26
• دم یا فانوسی و یا خرطومی 26
• مزیت عمده آنها سادگی استحکام و دوام شان است. 26
لوله بوردن 26
فشارسنج کپسولی 27
انواع فشار سنج های الکتریکی 27
• استرین گیج 27
• پیزو الکتریکی 27
• خازنی 27
فشارسنج استرین گیج 27
فشارسنج پیزوالکتریکی 27
فشار سنج پیزو مقاومتی 27
• مک لئود 28
• پیرانی 28
• ترموکوپلی 28
• پنینگ یا کاتد سرد 28
• کاتد گرم 28
فشارسنج مک لئود 28
فشارسنج پیرانی 28
فشارسنج ترموکوپلی 28
فشارسنج پنینگ 28
فشارسنج یونیزاسیون کاتد گرم 28
حسگر پیزوالکتریک: 28
وسایل اندازه گیری فشار 31
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از 31
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی 31
فشار سنجهای پیستونی 32
فشار سنجهای ستون مایع 32
فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مکانیکی 33
فشارسنجهای بوردون 34
فشارسنجهای دیافراگمی 35
فشار سنج الکترونیکی 36
فشار سنج پیزو مقاومتی. 36
فشار سنج خازنی 36
فشار سنج مغناطیسی 36
فشار سنج پیزو الکتریک 36
فشار سنج پتانسیومتری 36
فشار سنج تشدیدی 36
فشار سنج هدایت حرارتی 37
فشارسنج یونیزاسیون 37
اندازه گیری فشار (Piezometry) 38
اندازه گیرهای الکتریکی فشار (ElectricalPressure Measurement) 40
· اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive PressureMeasurement): 40
انواع فشارسنجها 40
انواع فشار سنج های صنعتی 42
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از : 43
انواع مختلف پرشر گیج های الکترونیکی شرکت ویکا 44

مقدمه :
پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می شود (مخصوصاً در کریستال ها، بعضی سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی. میهمان عزیز شما قادر به مشاهده لینک نمی باشید. جهت مشاهده لینک در تالار گفتگو ثبت نام کنید. .ثر پیزو الکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می شود.اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می کنند.به عنوان مثال سرامیک های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه های نور در مقیاس بسیار بزرگ.این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگاراثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه ی قاطعی نداد.اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده ی رفتار الکتریکی ماده استحسگرها ی پیزوالکتریک:بعضی مواد طبیعی یا مصنوعی مانند کوارتز ، تورمالین ، لیتیم سولفات و … هنگامی که تحت تغییر شکل یا بار مکانیکی قرار می گیرند ، بار الکتریکی تولید می کنند به این مواد ، مواد پیزو الکتریک گویند(اثر پیزو الکتریک). همچنین به عکس می توان با اعمال ولتاژ به این مواد تغییر شکل مکانیکی در آن ها ایجاد کرد(اثر پیزوالکتریک معکوس). کاربردهای آن: انواع سنسورهای پیزو الکتریک (شتاب) سنج(Accelerometer)، کرنش سنج(Strain gage) (سنسورهای نیرو وفشار ) ، شتاب دهنده های پیزوالکتریک(Actuators) نوسانگر پیزو الکتریک ، چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک ، منبع با ولتاژ بالا و بسیاری دیگر…اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه های مختلفی می تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می شوند) و یا گیرنده های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می خوانند.حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توام با صداهای با فرکانس بالا در مبدل های مافوق صوت جهت عکسبرداری های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.تحقیقی در اندازه گیری الکترونیکی حسگرهای پیزوالکتریک :حسگرهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیک ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت های مختلف با هم مخلوط می شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می توان پیزوسرامیک ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل های کوچک، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات و در بخش پزشکی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین ، تفنگ های لیزری، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، پاک کننده های دندانی، پمپ های IV ،پمپ های قلب و مبدل های کوچک در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب امروزه تحقیقات بزرگ و پیشرفت های عظیم بر پایه محاسبات جزیی و دقیق مهندسی بنا شده است. پایه این محاسبات ، اندازه گیری های دقیقی است که می بایست انجام شود.
در دنـیـــای امـــروز ایـــن انــدزه گـیــری هــا بــه روش هــای مــدرن و بــا دستگـاه هـای پیشـرفتـه مهندسی انجام می گیرد. اندازه گیری در حقیقت بـه مـعـنـای پروسه مشخص کردن یا پیدا کردن انــدازه، زاویـه یـا در کـل کـمـیـت اسـت. وسـایـل انــدازه گـیـری وسـایلـی هستنـد کـه کمیـت هـای اندازه گیری را به اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کنند. یکی از این وسایل اندازه گیری سنسورهای پیزوالکتریک هستند که برای سنس کـردن تـغـیـیـرات بـسـیـار جـزئـی به کار می آیند. پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف شد و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می شود. اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها ، الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. این سنسورها کاربردهای گسترده ای از صنعت خودرو سازی تا اندازه گیری فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب دارندساختار:همانطور که گفته شد سنسورهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته استوار هستند. به این معنا که اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد. این جابجایی بارهای الکتریکی را در شبکه اتمی یک کریستال پیزوالکتریک طبیعی، در پاسخ گویی به فشار را می توان در شکل 1 مشاهده می شود. دایره های بزرگ نشان دهنده اتم های سیلیکون هستند.
در حالی که دایره های کوچک، نشان دهنده اتم های اکسیژن هستند. کوارتز کریستالی ، هم نـوع کریستال طبیعی یا کیفیت بالا و هم نوع تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزو الکتریک مورد دسترس، حساس و پایدار هستند.
پیزو الکتریک
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.
می توان تاثیرات پیزوالکتریک را به عنوان تبدیل کننده انرژی الکتریکی به مکانیکی و بلعکس بیان کرد. همان طور که گفته شد پیزوالکتریسیته یک پدیده الکترومکانیکی است که در برخی موارد با میدان های کشسانی و میدان های الکتریکی همراه است. اصطلاح پیزوالکتریسیته درواقع ریشه یونانی داشته و ترکیبی از دو کلمه Pressure (فشار) و Electricity (الکتریسیته) می باشد. مواد پیزوالکتریک از ذرات و اجزائی تشکیل شده اند که قابلیت باردار شدن و تشکیل دوقطبی الکتریکی را دارا هستند. Cady این تعریف از مواد پیزوالکتریسیته را ارائه می دهد: قطبش الکتریکی تولیدشده به وسیله کرنش مکانیکی درکریستالهای متعلق به کلاسهای خاص است. قطبشی که متناسب با کرنش بوده و علامتش وابسته به آن است. این بیان، اثر پیزوالکتریک مستقیم را تعریف می کند. از طرفی هنگامی که به ماده پیزوالکتریک، ولتاژی اعمال می شود و یا به عبارت دیگر در آن میدان الکتریکی القا می گردد، یک کرنش متناسب با اندازه میدان الکتریکی اعمالی، در ماده ایجاد می شود که این پدیده به اثر معکوس پیزوالکتریسیته معروف می باشد. جالب است بدانیم که یک سانتی متر مکعب کوارتز در اثر اعمال نیروی ۲ کیلو نیوتن بر آن می تواند تا ۱۲۵۰۰ ولت الکتریسیته ایجاد کند (البته به طورکلی مقاومت الکتریکی بیش تر مواد پیزوالکتریک بالاست و درنتیجه جریان الکتریکی تولیدی آن ها اندک می باشد). همچنین نیروهای خمشی که به وسیله پدیده پیزوالکتریسیته معکوس تولید می شود، بسیار بزرگ بوده (از مرتبه ۱۰ مگا نیوتن) و اغلب قابل تحمل نیستند. تنها دلیلی که این نیروها اغلب موردتوجه 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 ( & Van Randeraat 1974 Setterington). 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 این ۲۰ دسته پیزوالکتریک، ۱۰ تا از آن ها تنها یک محور منحصربه فرد دارند. 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. 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.
نگاه میکروسکوپی به پیزوالکتریسیته
در این قسمت به شرح مختصری از مکانیزم وقوع پدیده پیزوالکتریسیته در مواد پیزوالکتریک می پردازیم. برای فهمیدن تاثیر پیزوالکتریک بر مواد فرو الکتریک، باید رفتار ماده در مقیاس میکروسکوپی را در نظر بگیریم. بالاتر از یک دمای مشخصی، که دمای کوری نامیده می شود (θ_c)، ساختار کریستالی ماده فرو الکتریک دارای تقارن مرکزی است و بنابراین هیچ گشتاور دوقطبی الکتریکی ندارد. اصولاً دمای کوری برای هر ماده پیزوالکتریک، دمایی است که خاصیت دوقطبی الکتریکی در دمای بالاتر از آن، از بین برود. در زیر این دما، این ساختار به یک ساختار پیچیده تر که تقارن مرکزی ندارد، تغییر فاز می دهد. در این فاز، کریستال دوقطبی الکتریکی طبیعی (Pyroelectricity) را ایجاد می کند که ممکن است، معکوس شود (Frrroelectricity).
کریستال های فرو الکتریک دارای نواحی با قطبیت یکسان می باشند که ناحیه فرو الکتریک نامیده می شود. داخل این ناحیه، تمام دوقطبی های الکتریکی در یک جهت قرار دارند. ممکن است در یک کریستال تعداد زیادی حوزه فرو الکتریک وجود داشته باشد که با مرزبندی از هم جدا می شوند (هنگامی که یک تک کریستال فرو الکتریک رشد می کند دارای حوزه های فرو الکتریکی و دوقطبی هایی با جهات متفاوت می گردد) باوجوداینکه در کریستال دارای حوزه های فروالکتریکی با جهات مشخص هستیم اما برآیند این دوقطبی در کل شبکه داخلی کریستالی صفر است. بااین وجود هرگاه کریستالی در مجاورت یک میدان الکتریکی قرار گیرد، حوزه های الکتریکی گرایش دارند تا جهت گیری نزدیک به جهت میدان الکتریکی پیدا کنند بدین ترتیب سراسر کریستال تبدیل به یک دوقطبی الکتریکی می گردد. (حال اگر این کریستال تحت تنش قرار گیرد، شبکه حوزه های الکتریکی تغییر کرده و تنش موجود باعث جهت رشد تعدادی از حوزه ها می گردد) این فرایند باعث تغییر برآیند دوقطبی الکتریکی در کریستال می شود. لازم به توضیح است که در طول یک بازه مشخصی از تنش، تغییرات لحظه ای دوقطبی به صورت تقریبی خطی و بازگشت پذیر است. ممکن است اجزاء فرو الکتریک تولید خاصیت پیزوالکتریک نمایند که این خاصیت در جهت قطبی است که به وسیله قرار دادن در میدان الکتریکی قوی در دمای نه چندان پائین تر از دمای کوری ایجاد می شود. اگرچه جهات مختلفی در هر حوزه برای قطبی شدن وجود دارد و یک انحراف معقول از جهت میدان اعمال شده برای دوقطبی عمده و موثر در کریستال موجود است نمی توان یک دوقطبی با جهت کاملاً دلخواه را توسط میدان الکتریکی به وجود آورد. اکنون به توضیح آنچه به نام قطبی سازی پس ماند ماده شناخته می شود، خواهیم پرداخت. پس از سرد شدن ماده و از بین رفتن میدان الکتریکی، نمی توان دوقطبی را به آسانی به حالت اولیه خود بازگرداند، ماده به صورت دائمی تبدیل به پیزوالکتریک می شود و این توانایی را به دست می آورد که انرژی مکانیکی را به الکتریکی تبدیل کند. به طور خلاصه می توان عملیات قطبی سازی را به این صورت بیان کرد: این عملیات شامل اعمال یک ولتاژ یا میدان نسبتاً بزرگ (V/mm ۲۰۰۰ <) در طول ماده پیزوالکتریک گرم شده تا دمایی نزدیک به دمای کوری می باشد. با اعمال این ولتاژ یا میدان ماده در طول محور اعمال میدان افزایش طول و در راستای عمود بر آن محور، کاهش طول می دهد. دراین حالت دوقطبی ها هم راستا شده و پس از سرد سازی نیز تقریباً راستای خود را حفظ می کنند.
شکل (۱-۲) تغییر جهت حوزه های قطبی در چند حوزه فرو الکتریک برای پیزوسرامیک را نشان می دهد.

شکل ۱-۲: ارتباط تغییر کرنش با آرایش مجدد قطبیت
در شروع فرایند قطبی سازی ماده دارای برآیند قطبیت در جهت منفی است (قسمت ۱شکل ۱-۲) که یک میدان الکتریکی در جهت مثبت به آن اعمال می شود. در ابتدا کریستال با افزایش میدان کوچک می شود، زیرا که میدان در خلاف جهت قطبیت ماده است. کرنش با رسیدن میدان الکتریکی به مقدار مشخص (میدان اجباری E_c) در راستای قطبیت به حداقل می رسد (قسمت ۲ شکل ۱-۲). با افزایش میدان اعمالی از E_c به E_max و با توجه به اینکه راستای قطبیت ماده با میدان همسو شده است، ماده منبسط می گردد (قسمت ۳ شکل ۱-۲). در نزدیکی میدان E_max تمام دوقطبی های موجود در کریستالی که قابل تغییر جهت بوده اند، در جهت میدان اعمال شده صف آرایی کرده اند. حال اگر میدان الکتریکی را کاهش دهیم کرنش به صورت یکنواخت کاهش می یابد، اما دوقطبی های ایجادشده در کریستال تغییر جهت و اندازه نخواهند داد. حالت ماده با رسیدن میدان الکتریکی به صفر مشابه با وضعیت آن در ابتدا می باشد با این تفاوت که جهت قطبیت ماده معکوس شده است(قسمت ۴ شکل ۱-۲). شکل (۲-۲) نمایانگر منحنی میدان الکتریکی – کرنش (جهتهای X_3 و X_1 به ترتیب موازی و عمود بر میدان الکتریکی می باشد) برای PZT بر پایه پیزوسرامیکهای فرو الکتریک است.
نمودار میدان الکتریکی – کرنش شامل منحنی های بسته متعددی است. در منحنی های کوچک مثل (a) که بیشینه میدان الکتریکی در آن ها کم است، رابطه کرنش ایجادشده با میدان الکتریکی به صورت خطی است. با افزایش میدان الکتریکی منحنی ها از حالت خطی خود فاصله گرفته و محدوده تغییرات کرنش پسماند افزوده می گردد (منحنی های d, c, b). این روند ادامه می یابد تا اینکه سرانجام با گذر شدت میدان الکتریکی ازE_c منحنیها به شکل منحنی پروآن های متقارن درآیند، که این فرایند ناشی از قطبیت ایجادشده در اثر تغییر جهت دوقطبی های درون کریستال است. بسیاری از سرامیک های پیزوالکتریک (همچنین مواد فرو الکتریک) همچون تیتانات باریم (Ba Ti O_3)، تیتانات سرب (Pb Ti O_3) ، تیتانات سرب/ زیر کنات سرب (PZT) وتیتانات زیر کنات لانتانیم سرب دارای ساختار Provskite مانند شکلی (۳-۲) هستند.

شکل ۲-۲: نمودار میدان الکتریکی – کرنش مواد PZT

شکل ۳-۲: ساختار Provskite در PZT
Provskite نام خانواده ای از مواد است که دارای ساختاری همچون تیتانات کلسیم هستند.
۲. ۲ پدیده دوپینگ (ناخالص سازی) در PZT:
درواقع تیتانات سرب / زیر کونات سرب یا PZT یک محلول جامد از دو ماده Pb Zr O_3و PbTio_3می باشد. (PZT (Pb(Zr_y 〖 Ti〗_(1-y)-y)O_3 از شبکه بلوری از سلولی های اصلی با ساختار Provskite ساخته شده است (شکلی ۳-۲). خواص الکتریکی در مواد این چنینی که جزء سرامیک های فرو الکتریک هستند با جایگزینی یون هایی با ظرفیت الکترووالانسی متفاوت در شبکه کریستالی، قابل تغییر است.
با واردکردن ناخالصی به درون شبکه کریستال (مثلاً جایگزین کردن بعضی یون های 〖Zi〗^(4+)یا 〖Zr〗^(4+)در شبکه) یک نقص جزئی در شبکه به وجود می آید (شکل ۴-۲).

شکل ۴-۲: تاثیرات ناخالصی
مثلاً یون های پذیرنده همچون 〖Fe〗^(3+)باعث ایجاد کمبود اکسیژن (O) در شبکه می شود:
〖Pb(〖Zr〗_y 〖Ti〗_(1-y-x) 〖Fe〗_x)(O_(3-x/2) o_(x/2))〗^

واردکردن یون های پذیرنده باعث تحرک و جابجایی بیشتر یون های اکسیژن می شوند. آن ها به آسانی می توانند جای خالی مجاور خود را پر کنند. این مساله بیان کننده این است که ایجاد نقص در شبکه، روشی راحت برای جهت دهی دوقطبی است. به طورکلی اهمیت پدیده پسماند برای حالتی که نسبت کرنش به میدان الکتریکی پائین است بیشتر می شود. در این حالت پیزوسرامیک ها را پیزوسرامیک سخت می نامند. مثلاً PZT سخت عمدتاً دارای نفوذپذیری پایین، اتلاف الکتریکی کم و ضریب پیزوالکتریک کوچک می باشد، با چنین خواصی، قطبی سازی یا تغییر جهت دوقطبی های کریستال کار بسیار مشکلی است. اگرچه ساخت آن ها برای کاربرد در شرایط سخت مانند موتورهای مافوق صوت ضروری به نظر می رسد.
وجود یون های دهنده مانند 〖Nb〗^(5+) موجب کمبود حفره (•) در شبکه خواهد شد:
(〖Pb〗_(1-x/2) •_(x/2))(〖Zr〗_y 〖Ti〗_(1-y-x) 〖Nb〗_x) O_3
اما در این حالت یون سرب به راحتی یون اکسیژن نمی تواند جابجا شده و به جاهای خالی اطراف خود برود. بنابراین دوقطبی موجود به راحتی قادر به تغییر جهت نخواهد بود، از پسماند شبکه کاسته شده و این بدان معنا است که نسبت کرنش به میدان الکتریکی افزایش می یابد. بالطبع باید این گونه مواد را پیزوسرامیک نرم نامید. در مورد خواص PZT نرم می توان گفت که دارای نفوذپذیری بالا، اتلاف الکتریکی زیاد، ضریب پیزوالکتریک بزرگ، قطبی سازی و جهت پذیری آسان دوقطبی ها می باشد. کاربردهای آن در مواردی چون حسگرها و عمل کننده هاست که نیاز به خواص پیزوالکتریک بالا دارند.
در خاتمه می توان گفت که PZT یک سرامیک فرو الکتریک شفاف است که به وسیله جایگزینی یون 〖Pb2〗^+ با یون 〖La3〗^+ در PZT به دست می آید. شفافیت طبیعی این ماده آن را در کاربردهای نوری (Electro-Optic) رواج داده است.
۲. ۳ قطبی سازی تیتانات باریم
گروهی از مواد دی الکتریک که فرو الکتریک می باشند، به طور خودبه خود خاصیت دوقطبی الکتریکی از خود بروز می دهند، یعنی بدون وجود هیچ میدان الکتریکی، در آن ها خاصیت قطبی سازی صورت می گیرد. این دسته از مواد مانند مواد فرومغناطیسی هستند که بدون حضور میدان مغناطیسی در آن ها خاصیت مغناطیسی وجود دارد.
پدیده قطبی سازی نتیجه قرارگیری یون های 〖Ba〗^(2+) ، 〖Ti〗^(4+) و Q^(2_) در یک واحد از شبکه کریستال مذکور می باشد. یون های 〖Ba〗^(2+)در گوشه های این واحد کریستالی قرارگرفته اند که دارای یک تقارن چهاروجهی است. دوقطبی های الکتریکی درواقع از عدم قرار گرفتن یون های〖Ti〗^(4+) و Q^(2_) (یون های مثبت و منفی) بر روی محل های تقارن شبکه پدید می آید. یون های Q، نزدیک ولی کمی پایین تر از مرکز هرکدام از شش وجه قرار دارند، درحالی که یون 〖Ti〗^(4+) نزدیک ولی کمی بالاتر از مرکز واحد شبکه قرار دارد. بنابراین یک دوقطبی یونی منتجه از وضعیت فوق، در هر واحد شبکه به وجود می آید.
علی رغم مطلب فوق، هنگامی که این ساختار تا دمایی بالاتر از دمای کوری مربوط به این ماده گرم شود (120^° c)هر واحد شبکه به صورت مکعبی درآمده و همه یونها در موقعیت های تقارن شبکه قرار میگیرند و تحت این شرایط دیگر در شبکه دوقطبی نخواهیم داشت. در این حالت، کریستال دارای تقارن کامل می باشد.
قطبی سازی خودبه خودی در شبکه این دسته از مواد هنگامی که واحدهای مولکولی فوق در کنار هم قرار می گیرند، از تاثیر دوبه دوی این واحدهای مولکولی بر روی یکدیگر پدید می آید و محدوده های قطبی شده در یک جهت خاص را پدید می آورد. محدوده های دوقطبی با جهات موازی به حوزه های وایس معروفند. ازآنجاکه این حوزه ها، به طور طبیعی، به شکل نامنظمی چیده شده اند (بارهای الکتریکی مثبت و منفی به شکل متقارن توزیع شده اند)، بنابراین کریستالی به طورکلی ازنظر بار الکتریکی خنثی است و در حالت عادی، ماده هیچ اثر پیزوالکتریکی از خود نشان نمی دهد. اما اعمال هرگونه ولتاژ به دو سر این دسته از مواد و یا به عبارت دیگر ایجاد میدان الکتریکی یکسان، به یک میزان جابجا نمی شوند. بنابراین ابعاد ماده موردنظر تغییر کرده و در آن براثر اعمال میدان الکتریکی، کرنش پدید می آید (پدیده پیزوالکتریک معکوس). بالعکس، اعمال نیروی مکانیکی به سیستم باعث تولید کرنش در آن شده و کرنش نیز موجب تغییر وضعیت دوقطبی های موجود و پیدایش میدان الکتریکی در سیستم می شود.
تاثیرات مستقیم و معکوس
اگر نیرویی به ماده پیزوالکتریسیته اعمال شود، بار سطحی توسط تغییر مکان الکتریکی القاء می شود و بنابراین یک میدان الکتریکی ایجاد می شود. در الکترودهای بکار برده شده این میدان می تواند بعنوان یک میدان الکتریکی جریان داشته باشد (شکلی ۵-۲). اگر مدار بسته باشد، توازن بار سطحی خارجی به وسیله جریان الکتریکی ایجاد می شود.

شکل ۵-۲: تاثیر مستقیم ماده پیزوالکتریکی در مدار باز
برعکس، اگر میدان الکتریکی بر جسم پیزوالکتریکی اعمال شود باعث تغییر شکل آن می شود. اگر از این تغییر شکل جلوگیری شود (با مهار کردن جزئی یا کلی ماده)، باعث ایجاد تنش کششی در ماده می شود. نیروی F بر وسیله اعمال می شود، و از تغییر شکل جسم پیزوالکتریک جلوگیری می کند (شکلی ۶-۲). این تعریف اثر معکوس پیزوالکتریک می باشد. در عملی، تاثیر پیزوالکتریک مسقیم در کاربردهای استاتیکی و دینامیکی استفاده می شود.

شکل ۶-۲: تاثیر معکوس ماده پیزوالکتریکی در مدار باز
اثر پیزوالکتریک در مورد انواع ساختارهای کریستالی کشف شده است که یون های مثبت و منفی شبکه کریستالی، مرکز تقارن ندارند. بنابراین شرط وقوع اثر پیزوالکتریک وجود محورهای قطبی در ساختار کریستال است. منظور از قطب، وجود گشتاور دوقطبی در راستاهای محوری است، که به علت توزیع بار الکتریکی در پیوند شیمیایی به وجود می آیند.
بمنظور درک بهتر، ساختار سلول کوارتز آلفا α-quartz نشان داده شده است (شکلی ۷-۲).

ساختار ساده شده سلول کوارتز ترتیب یون های Si وO با محورهای اصلی
این ساختار شامل یون های منفی O و یون ها مثبت Si است که دارای سه محور چرخش قطبی دوگانه X_3,X_2,X_1در صفحه رسم و یک محور چرخش قطبی سه گانه Z عمود بر صفحه رسم است. از دیدگاه بیرونی، کریستال ها ازنظر الکتریکی خنثی هستند. اگر تغییر شکلی در طول محور تقارن با X_1 ایجاد شود، قطبش الکتریکی اضافه P در طول این محور تقارن به وجود می آید. قطبش الکتریکی بعلت تغییر مکان یون های مثبت و منفی شبکه کریستالی در برابر یکدیگر ایجاد می گردد (شکل a۲-۸). این عامل منجر به ایجاد بار الکتریکی روی سطوح متناسب کریستالی عمود بر محور X_1 می شود و این به نوبه خود باعث تولید ولتاژ الکتریکی می گردد،که همان تاثیر پیزو الکتریک مستقیم می باشد.

تاثیر مستقیم پیزوالکتریک در ساختار سلول کوارتز (a تاثیرات طولی پیزو الکتریک (b تاثیرات عرضی پیزو الکتریک
قرار گرفتن در برابر تنش های فشاری و کششی عمود بر محور X_1 منجر به قطبش الکتریکی با علامت مخالف در جهت محور X_1 می شود. ه ردو اثر قابل برگشت هستند. به عبارت دیگر ایجاد انقباض یا انبساط ساختار کوارتز تحت تاثیر میدان الکتریکی جهتدار انجم می شود. در شکل زیر پیزو الکتریک و زمینه های مطالعاتی مربوطه نشان داده شده است.

کاربردهای مواد پیزوالکتریک

پلیمرها
خاصیت پیزوالکتریک را می توان توسط جهت دهی به مولکول های دوقطبی در پلیمرهایی که خاصیت قطبی دارند همچون پلی وینیل فلوراید (PVDF یا 〖PVF〗_2) به وجود آورد. خاصیت پیزوالکتریک در PVDF به علت بیشتر بودن مقدار الکترونگاتیوه فلوئور نسبت به کربن است. درنتیجه اتم های فلوئور الکترون های اتمهای کربن مجاور خود را جذب می کنند، بنابراین هنگامی که جزء 〖CF〗_2 ملکولی درون یک میدان الکتریکی قرار می گیرد به شد ت قطبی شده و در جهت میدان قرار می گیرند. برعکس هنگامی که یک پیزوپلیمر تغییر شکل می دهد یک دوقطبی در ابعاد ماکروسکوپیک تشکیل می شود. هنگامی این فرایند رخ می دهد که یک لایه از پلیمر تحت کشش مکانیکی درون یک میدان الکتریکی به قدر کافی قوی قرار گیرد. در این صورت قطبیت، ناشی از بازآرایی فاصله های اعضای قطبی در زنجیره مولکولی است. می توان با ماشین کاری این گونه مواد در یک یا دو جهت عمود بر هم قبل از فرایند قطبی سازی خواص پیزوالکتریکی متفاوتی به دست آورد (شکل ۱۰-۲).

PVDF یک جهته و دو جهته
کششی تک محوره باعث ایجاد خواص پیزوالکتریکی در همان جهت می شود، ولی کششی دو طرفه توانایی ایجاد خاصیت پیزوالکتریکی به صورت ایزوتروپیک را داراست.

خصوصیات نمونه PVDF و PZT
خواص شاخص (Piezotech Documentation, 1997) PVDF را در مقایسه با PZT
نشان می دهد.
سرامیک های پیزوالکتریک
با کشف سرامیک های چند بلوری با ویژگی های پیزو الکتریک بعد از جنگ جهانی دوم، پیزوالکتریک از اهمیت تکنیکی بیشتری برخوردار شد. در نگاه اول، سرامیک های پیزوالکتریک دارای تضاد هستند، زیرا ترکیب چند بلوری نشانگر یک رفتار همگن و یک مرکز وارونگی ماکروسکوپی به سبب جهت گیری بلورهای تکی است. به همین دلیل پیزوسرامیک ها رفتار پیزوالکتریکی ماکروسکوپی ندارند، اگرچه ذره تک کریستالی ویژگی – های پیزوالکتریک را دارد. اگر ترکیب سرامیک دارای یک محور قطبی باشد، می تواند توسط میدان الکتریکی خارجی دوباره جهتدهی شود.
امروزه، سرامیکهای چند بلوری مانند تیتانات باریم (BaTiO3) و PZT از جمله مواد پیزوالکتریکی هستند که بیشتر استفاده می گردند، که به طور مشخص علت آن هزینه تولید کم آن ها و همچنین توانایی شکل دهی دلخواه در مقایسه با مواد پیزوالکتریکی تک بلوری است.
اندازه گیری چیست؟
اصولاً، اندازه گیرى، نتیجه مقایسه کلى بین یک استاندارد
(شاخص) تعریف شده و یک اندازه (مقدار) نامعلوم است. براى این که نتیجه عمل اندازه گیرى، به طور عمومى، با معنى باشد دو شرط زیر لازم است :
الفــ – استانداردی که براى مقایسه به کار مى رود به طور دقیق معلوم و مورد پذیرش باشد.
بــ – روش اندازه گیرى قابل تکرارباشد به طوری که بتوان
صحت و دقت دستگاه اندازه گیرى را امتحان نمود
اولین شرط بدین معنى است که یک جسم نمى تواند فقط سنگین باشد، بلکه سنگینى آن درمقایسه با سنگینى یک جسم دیگر(استاندارد) معنى پیدا میکند. به عبارت دیگر مقایسه اى باید انجام شود واین مقایسه نسبت به یک استاندارد شناخته شده انجام گیرد.
در غیر اینصورت اندازه گیرى ما مفهومى نخواهد داشت.
شرط دوم نیز بدین معنى است، که دستگاه اندازه گیرى
باید بتواند، در دفعات مختلف، ٔاندازه یک کمیت معین را یک
مقدار بخواند. همچنین باید بتوانیم توانایى دستگاه را براى انجام اندازه گیرى صحیح امتحان کنیم
خطا در اندازه گیری
هنگام اندازه گیرى واستفاده از دستگاههاى مختلف اندازه گیرى، همیشه این احتمال وجود دارد که کمیت اندازه گیرى شده نسبت به کمیت واقعى قدری بیشتر یا کمتر باشد؛ این تفاوت را خطاى اندازه گیرى می نامند
1- خطای شخصی
2- خطای دستگاه
خطاى شخصى:
این نوع خطا مربوط به اشتباهاتى است که شخص، در موقع اندازه گیرى، به طور ناخواسته انجام مى دهد. مثلاً ممکن
است کاربر هنگام خواندن عدد یا رقم، به رنج( ٔحوزه کار) کلید سلکتور توجه نداشته باشد یا ضرایب را
اشتباه محاسبه کند
خطای دستگاه
عواملى که باعث این نوع خطا مى شوند
نسبت به خطا ىشخصی بیشتراست ودربعضى موارد نمی توان ازتاثیرآنها جلوگیری کرد. کیفیت ّفنى دستگاه،فرکانس،اصطکاک،
حوزه هاى ا لکترومغناطیسى وخطاى ناشى ازحرارت محیط،برخی
از این عوامل هستند. یکى دیگر از عواملى که باعث خطا میشود
وجود ونصب دستگاه درمداراست. مثلاً با قراردادن یک آمپرمتر
درمدارمقاومت ناخواسته اى به مداراضافه می شود وجریان مداررا
کاهش میدهد در نتیجه اندازه گیری با خطا همراه خواهد بود
طبقه بندى سیستمهاى اندازه گیرى
دستگاه هاى آنالوگ و دیجیتال
دستگاههاى اندازه گیرى به دستگاه هاى اندازه گیرى DC و AC تقسیم مىشود. دستگاههاى DC فقط مقادیر ثابت و دستگاههاى AC کمیتهاى ّمتغیر با زمان را اندازه گیرى مى کنند
تعریف فشار
همه مواد موجود در طبیعت ازمولکول ساخته شده اند وهرمولکول ازاتمهاى مختلف تشکیل
شده است. مولکولهاى یک جسم سیال (مایع یا گاز) با سرعت
زیاد در تمام جهات حرکت مى کنند. در اثر این حرکت مولکولها با یکدیگر یا با ٔدیواره ظرفى که درآن قراردارند برخورد مى نمایند.
دراثر برخورد مولکول ها به دیواره ظرف نیرویى به آن وارد مى شود
بنابراین مقدار نیروى وارده بردیواره ظرف به عوامل زیر بستگى دارد.
الف) سرعت مولکولها
ب) تعداد مولکولها
ج) وزن مولکولها

واحد های فشار
• فشار ناشی از یک کیلوگرم نیرو بر یک سانتیمتر مربع از سطح را یک بار (BAR)میگویند
• همچنین اگر در رابطه بالا ، واحد F برحسب پوند نیرو
(یک پوند تقریباً ۶/۴۵۳ گرم است) و واحد سطح برحسب اینچ
مربع(یک اینچ تقریباً۴/۲۵ میلیمتراست) باشد،واحدP،برحسب
پوند بر اینچ مربع خواهد بود، واحد پوند بر اینچ مربع را با PSI
(Inch Square per force Pound) نشان میدهند.
برای اندازه گیری فشارهای خیلی کم، از واحد دیگری به نام پاسکال استفاده میشود. یک پاسکال برابر با ﷐1﷮100000﷯ بار است. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد می شود. چون پاسکال یکای کوچکی برای معمولآ از کیلو پاسکال که برابر 1000پاسکال است استفاده می شود 0 فشار است.

انواع فشار

فشار اتمسفر : تمام اجسام در روی زمین،
تحت فشار اتمسفر است. فشار اتمسفر اغلب به عنوان مبنا درنظرگرفته میشود. این فشار در سطح هم طراز دریای آزاد، ًتقریبا برابر PSI 14/7است
درجه بندی فشارگیج Gage ) (: فشاری
که در پروسه های صنعتی اندازه گیری میشود، معمولاً بزرگتر و
یا مساوی فشار جو است. اختلاف میان فشار اتمسفر و فشار
اندازه گیری شده را فشار گیج مینامند وآن را با PSI و یا PSIG
نشان میدهند
درجه بندی فشار مطلق :
مبنای این فشار، صفر مطلق است، در این نقطه هیچ فشاری، حتی فشار اتمسفر وجود ندارد. بنابراین فشار صفر مطلق فقط در خلأ کامل ایجاد میشود. فشار مطلق را با PSIA نشان میدهند

با استفاده از تغییرات سطح مایع مى توان تغییرات فشار
را اندازه گرفت. براى این کار از یک ٔوسیله مدرج که بتوان
اختلاف فشاررا روى آن خواند استفاده مى کنیم؛ با وارد کردن
فشار در یک طرف ٔلوله U شکل، مایع در طرف دیگر بالا
مى رود؛ یعنى هرقدر فشاربیشترباشد لوله اى که براى نشان دادن تغییرات فشار لازم است باید با طول بزرگترى انتخاب شود.
لوله ممکن است از جنس شیشه باشد؛ لذا از فشارسنجهاى
لوله اى براى اندازه گیرى فشاردر مکان هایى که امکان شکستن
لوله وجود دارد، استفاده نمی شود
بارومتر
بارومتر تجهیزی است که برای اندازه‏گیری فشار اتمسفر مورد استفاده قرار میگیرد.در نمونه های معمول این ابزار از آب ، هوا ، و جیوه برای اندازه‏ گیری فشار جو استفاده میکنند .از بارومتر بیشتر برای اندازه‎گیری فشار هوای محیط که به صورت غیر مستقیم معرف ارتفاع از سطح دریا و تغییرات جوی برای پیش بینی وضعیت هوا و همچنین محیطهای آزمایشگاهی که بایستی شرایط کلی نظیر دما ، و فشار محیط در کنترل باشد استفاده میگردد
مشخصه های مطلوب یک سیال مانومتر
انواع فشار سنج های ارتجاعی
• لوله بوردن
• دیافراگمی
• کپسولی
• دم یا فانوسی و یا خرطومی
• مزیت عمده آنها سادگی استحکام و دوام شان است.
لوله بوردن
• این فشارسنج معمولترین نوعى است که در صنعت از آن استفاده مى شود و از یک لوله توخالى خمیده فلزى با خاصیت فنرى، تشکیل شده است. یک طرف این لوله بسته و طرف دیگرآن توسط شیرى به مخزن فشارمتصل مى گردد
تا زمانى که شیر بسته است فشار داخل لوله کم و لوله به
حالت خمیده است، هنگامیکه شیررا باز مى کنیم فشارداخل لوله زیاد میشود و به تدریج از انحناى لوله مى کاهد تا آن را به حالت مستقیم درمی آورد
اختلاف سنج دیافراگمی
حدود فشارى که دیافراگم مى تواند تحمل کند بستگى به
اندازه و ضخامت آن دارد. مثلاً براى سنجش اختلاف فشارهاى
زیاد نباید ازدیافراگم هاى نازک استفاده نمود. ازآنجایىکه براى
ساخت دیافراگم از موادى که قابلیت ارتجاعى زیاد دارند استفاده
مى شود،حتى اختلاف فشارهاى کم نیزجابه جایى قابل ملاحظه اى
در دیافراگم ایجاد مى کند؛ بدین ترتیب مى توان اختلاف فشارهاى
بسیار جزیى را نیز اندازه گرفت.یکى از کاربردهاى فشارسنج
دیافراگمى در شمع روغن یا فشنگى فشار روغن موتور اتومبیل
است
فشارسنج کپسولی
اصول کار این نوع فشارسنج ها شبیه به فشارسنج دیافراگمى است ولى به خاطرداشتن ِسطح زیاد،حساسیت آن از فشارسنج دیافراگمى بیشتر است
انواع فشار سنج های الکتریکی
• استرین گیج
• پیزو الکتریکی
• خازنی
فشارسنج استرین گیج
فشارسنج پیزوالکتریکی
فشار سنج پیزو مقاومتی
فشار سنج پیزو مقاومتی : فشار مکانیکی اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی شده و فشار اعمال شده اندازه گیری میشود
فشارسنج خازنی
• 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
فشار سنج های محدوده خلاء
• مک لئود
• پیرانی
• ترموکوپلی
• پنینگ یا کاتد سرد
• کاتد گرم
فشارسنج مک لئود
فشارسنج
پیرانی
فشارسنج ترموکوپلی
فشارسنج پنینگ
فشارسنج یونیزاسیون کاتد گرم
این فشارسنجها ، فشار را بطور غیرمستقیم و از طریق یونهای الکتریکی ایجاد شده در اثر بمباران الکترونی گاز اندازه می گیرند
برای ایجاد الکترونها از پدیده ترمویونیک که در کاتدهای داغ یا کاتدهای سرد بوجود می آید استفاده می کنند . این الکترونها با اتمهای گاز برخورد کرده و یونهای مثبت بوجود می آورند . این یونها توسط یک الکترود جمع کننده که به ولتاژ مناسبی متصل است جذب می شوند
حسگر پیزوالکتریک:

عـلاوه بـر کـریستـال های کوارتز می توان، PCB های طراحی شده با به کارگیری تکنولوژی انسانی، پلی کریستال ها و پیزو سرامیک ها را نام برد. این مواد با کاربرد میدان الکتریکی گسترده ای، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبدیل به مواد پیزوالکتریک شوند، یــک خــروجــی high-voltage قــوی را تــولیـد مـی کنـد. ایـن ویـژگـی بـرای استفـاده در سیستم های اندازه گیری کم نویز، یک ویژگی بسیار ایده آل است.
با ارزش سختی یکسان نسبت به Psi 6E15 که مشابه بسیاری از فلزات است، مواد پیزوالکتریک خروجی های بالا را به وسیله کرنش های کوچک کاهش می دهند. به عبارت دیگر، مواد پیزوالکتریک موادی را سنجش می کنند که ضرورتا شکست و انکسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. این به این دلیل است که سنسورهای پیزوالکتریک بسیار قوی هستند و این ویژگی عالی، یک رابطه خطی با میدان گسترده نوسان دارد. در حقیقت، وقتی سیگنال مناسب طراحی شده به طور صحیح به هم بپیـونـدنـد، سنسـورهـای پیـزوالکتـریـک دارای یـک محـدوده نـوسـان پـویـا (برای مثال، محدوده اندازه گیری نسبت به نویز) دارند. نکته مهم نهایی درباره مواد پیزوالکتریک این است که آن ها تنها می توانند اتفاقات پویا و در حال تغییر را اندازه بگیرند.سنسورهای پیزوالکتریک قادر به اندازه گیری حوادث استاتیک پیوسته مانند: سیستم داخلی هدایت موشک، فشار هوا و اندازه گیری وزن نیستند، در حالی که حوادث استاتیک دلیل اولیه خروجی هستند؛ این سیگنال به آهستگی ضعیف شده، بر اساس مواد پیزوالکتریک یا متعلق به الکترونیک زمان ثابت است. این بار ثابت مطابق با مرتبه اول ***** بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. این ***** بالا گذر در نهایت تعیین کننده فرکانس قطع پائین یا اندازه گیری سطح دستگاه می شوددو نمونه از مواد پیزوالکتریک:
پیزوالکتریک: (PZT)
حساسیت شارژ بالا
کوارتز:پایدار، پیزوالکتریک نشده
حساسیت شارژ پائین، اما حساسیت ولتاژ بالاتئوری و مدل سازی:تئوری پایه ای که پشت پیزوالکتریسیته وجود دارد براساس دوقطبی الکتریکی است. در سطح ملکولی، ساختار مواد پیزوالکتریک به طور معمول، پیوند یونی کریستال است. در نتیجه دو قطبی ها به وسیله ی یون های مثبت و منفی که همدیگر را خنثی می کنند و به علت تقارن، ساختار کریستال تشکیل می شود و میدان الکتریکی مشاهده نمی شود.وقتی تنش وارد می شود، کریستال تغییر شکل می دهد، تقارن از دست رفته و شبکه دو قطبی در یک لحظه تشکیل می شود. این دو قطبی لحظه ای یک میدان الکتریکی در راستای کریستال تشکیل می دهد
در این روش، تولید شارژ الکتریکی توسط مواد متناسب با فشار اعمال شده اگر نیروی رفت و برگشتی اعمال شود، ولتاژ AC در ترمینال دستگاه مشاهده می شود. سنسورهای نیروی الکتریک برای کاربردهای DC و استاتیک مناسب نیستند زیرا شارژ الکتریکی تولید شده، بـه علـت امپـدانـس داخلـی سنسـور و امپـدانـس ورودی تـوسـط مـدار سـیـگـنـال مناسب، بازمان تـنــزل پـیــدا مــی کـنــد.بــا ایــن حـال، آن هـا بـرای کاربردهای دینامیک و AC مناسب هستند
یک سنسور پیزوالکتریک به عنوان یک منبع شارژ با یک خازن موازی و مقاومت، و یا به عنوان منبـع با یک خازن سری و مقاومت، مدل شده اســــت. ایــــن مــــدل هـــا در شـکـــل 3 هـمـــراه بـــا عــلامـت هـای شـمـاتـیـک رایـج نـشـان داده شـده اســـت.
شـــارژ تــولـیــد شــده بـسـتـگــی بــه ثــابــت پیـزوالکتـریـک دستگـاه دارد. ظـرفیـت خازن به وســیــلــــه مــســــاحــــت هـمـــان عـــرض و ثـــابـــت دی الکتریک مواد تعیین می شود. همانطور که قبلا ذکر شد محاسبه مقاومت برای اتلاف شارژ استاتیک است.
نمایش یک نیروی معمولی، فشار و سنسور شتاب در شکل 4 نشان داده شده است. الکترود سـیـاه جایی است که شارژ بلورها در آن مکان انـبـاشـتـه مـی شـود مـدار مـیکرو و شتاب سنج، همچنین دارای جرم است توجه داشته باشید که آن ها تفاوت خیلی کوچکی در تنظیمات داخلی دارنـــد. در شــتـــاب ســنـــج هـــا کــه حــرکــت را انـدازه گـیـری مـی کـنند، جرم ثابت،M ""، توسط کریستال ها، به سادگی و با استفاده از قانون دوم نـیـوتـون قـابـل مـحـاسـبـه اسـت: F=MA. فـشـار و نیروی سنسورها تقریبا ً یکسان است و متکی بر تغییر شکل نیروی خارجی کریستال ها است. تفاوت بزرگ این است سنسورهای فشار برای جمع کردن فشار یک دیافراگم به کار می برند، که بـه سـادگی توسط نیروی خارج از محیط وارد می شود. اندازه گیری فشار – بخش سوم(انواع فشار سنجها)
برای مطالعه بخش اول و دوم مطلب به این لینک ها (اندازه گیری فشار و واحدهای اندازه گیری فشار) مراجعه کنید:
وسایل اندازه گیری فشار
وسایل بسیاری با مزایا و معایب خاص خود برای اندازه گیری فشار اختراع شده است که با توجه به گستره اندازه گیری ، حساسیت ، پاسخ دینامیکی و هزینه ، طراحی و مشخصات فنی این وسایل با هم فرق می کند .
قدیمی ترین وسیله اندازه گیری فشار مانومتر ستون مایع است ( یک لوله عمودی که با جیوه پر شده است ) که توسط توریچلی در ۱۶۴۳میلادی اختراع شد . همچنین مانومتر ستون مایع U شکل نیز توسط کریستان هویگنس در سال ۱۶۶۱ میلادی اختراع گردید .
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از :
* هیدرواستاتیکی
* پیستونی
* ستون مایع
* آنروید مکانیکی
* هدایت حرارتی
* یونیزاسیون
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی :
فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ( مانند مانومتر ستون مایع ) فشار را با نیروی هیدرواستاتیکی که بر واحد سطح در پائینی ترین موقعیت ستون سیالی که درون لوله ( مانومتر ستون مایع ) قرار دارد مقایسه می کند . اندازه گیری فشار به روش هیدرواستاتیکی مستقل از نوع گازی است که اندازه گیری می شود و بنابراین طراحی آن می تواند بگونه ای باشد که بطور خطی عمل نماید و منخنی کالیبراسیون آن بسیار خطی باشد . علیرغم این مزیت ، این قبیل وسایل پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند .
فشار سنجهای پیستونی:
فشارسنجهای نوع پیستونی ،براساس ایجاد توازن بین فشار یک سیال با جرم یک جسم جامد ( مثل وزنه ) یا نیروی کشش فنر کار می کند . نام دیگر این نوع فشارسنجها آزمونگر بارراکد[2] است . معمولاً آزمونگرهای بارراکد از درستی بالایی برخوردار بوده و بعنوان وسیله استاندارد مرجع برای کالیبراسیون سایر وسایل اندازه گیری فشار بکار می رود .
فشار سنجهای ستون مایع :
فشارسنجهای ستون مایع از یک ستون عمودی مایع تشکیل شده که در درون یک لوله که دو انتهای آن در معرض دو فشار مختلف هستند قرار دارد . ستون مایع تا زمانیکه وزنش در تعادل با اختلاف فشار بین دو انتهای لوله بشود ، بالا یا پایین می رود تا تثبیت شود. شکل ساده این نوع مازومترها U شکل است که نصف آن از مایع پرشده است و یک طرف آن به فشار تحت اندازه گیری و طرف دیگر آن به یک فشار مرجع ( مثلاً فشار اتمسفر یا خلاء ) وصل می شود . اختلاف سطح مایع در دو طرف لوله U شکل ، معیاری برای بیان فشار اعمالی به وسیله میباشد. فشار اعمالی بوسیله ستون مایع به ارتفاع h و چگالی ρ از معاادله فشار هیدرواستاتیکی P= ρgh بدست می آید . بنابراین اختلاف فشار بین فشار اعمالی Pa و فشار مربع P0 در لوله U شکل مانومتر ، را می توان از رابطه زیر حساب کرد :
Pa-P0= ρgh
با اینکه در این مانومتر می توان از هر نوع سیالی استفاده کرد ولی استفاده از جیوه بخاطر چگالی بالای آن ( 13.534g/cm2 ) و فشار بخار پایین ترجیح داده می شود .
برای اختلاف فشارهای کم و بیشتر از فشار بخار آب ، معمولاً از آب معمولی بعنوان سیال درون مانومتر استفاده می کنند و واحد اندازه گیری متداول آن اینچ آب است . علیرغم اینکه این نوع مانومتر مستقل از نوع گازی هستند که فشار آنها می خواهد اندازه گیری شود و همچنین بسیار خطی عمل می کنند ولی پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند. در اندازه گیری خلاء ، اگر سیال مایع مورد استفاده دارای فشار بخار خیلی بالا باشد ممکن است بخار شده و محیط خلاء راآلوده کند .
وقتی که از این نوع وسایل برای اندازه گیری فشار مایعات استفاده می شود ، یک حلقه پر شده از گاز یا یک سیال سبک بایستی بعنوان ایزوله کننده سیال درون مانومتر و مایع تحت اندازه گیری استفاده شود تا از مخلوط شدن آنها جلوگیری کند .
فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ساده می توانند فشار کم از 100Paتا چند اتمسفر ( تقریباً 1,000,000 Pa ) را اندازه گیری کنند .

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

در عمل اندازه گیری فشار در فشار سنجهای بوردونی، از طریق یک لوله ته بسته با دیواره نازک که در انتهای باز آن به یک لوله حاوی سیال که فشار آن تحت اندازه گیری است بصورت ثابت شده وصل می شود انجام می گیرد . هر چه فشار بیشتر شود ، قسمت ته بسته لوله بصورت یک قوس (کمان ) حرکت می کند و این حرکت از طریق یک پیوندارتباطی به چرخش چرخ دنده ای منجر می شود و معمولاً این مکانیزم متحرک قابل تنظیم است .
یک چرخ دنده با قطر کوچک نیز که بر روی محور عقربه قرار دارد ، باعث می شود حرکت مکانیزم متحرک به نسبت تعداد دنده های دو چرخ دنده درگیر تقویت شود . برای اینکه این مکانیزم بتواند از طریق تنظیم و کالیبراسیون ، فشار را بدرستی نمایش دهد نیاز به تنظیم درست صفحه مدرج که پشت عقربه قرار می گیرد ، تنظیم موقعیت قرارگیری محور عقربه و تنظیم طول پیوند ارتباطی میباشد.
برای اندازه گیری اختلاف فشار نیز می توان از فشار سنجی که دارای دو لوله بوردون مختلف که بطور مناسبی با هم ارتباط دارند استفاده کرد .
فشارسنجهای بوردنی فشارسنجش یعنی فشار نسبت به فشار اتمسفر را اندازه می گیرند که با فشار مطلق که نسبت به خلاء سنجیده می شود متفاوت است .
معمولاً هنگامیکه فشار تحت اندازه گیری بصورت پالسهای سریع تغییر می کند ، از یک قطعه مکانیکی با یک سوراخ محدود کننده که درون لوله ارتباطی بین فشار تحت اندازه گیری و فشارسنج بوردنی قرار می دهند استفاده می کنند تا از صدمه دیدن و استهلاک چرخ دنده های فشارسنج جلوگیری کنند و همزمان قرائتی از میانگین فشار را در اختیار بگذارند .
همچنین هنگامیکه کل فشارسنج در معرض ارتعاشات مکانیکی باشد ، تمامی اجزاء درونی فشارسنج شامل عقربه و مکانیزم متحرک را با روغن یا گلیسیرین پر می کنند . بطورنوعی فشارسنجهای با کیفیت بالا درستی تا 2 درصد دامنه اندازه گیری
و فشارسنجهای مخصوص درستی تا0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه گیری[16] را می توانند برقرار کنند .
فشارسنجهای دیافراگمی
نوع دوم از فشارسنجهای آنرویدی ( مکانیکی ) به فشارسنجهای دیافراگمی معروف است که از خاصیت انحراف و جابجایی یک غشای انعطاف پذیری که دو منطقه با فشارهای مختلف را از هم جدا می کند برای اندازه گیری فشار استفاده می کند .
تغییر شکل یک دیافراگم نازک بستگی به اختلاف فشار بین دو طرف آن دارد . یکی از این طرفها طرف مرجع و طرف دیگر طرفی است که با فشار تحت اندازه گیری در ارتباط است . طرف مرجع می تواندبه فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه گیری شود ، یا به فشار نقطه ای دیگر از فرآیند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه گیری کند یا می تواند پس از خلاء بسته شود یا به فشار مرجعی ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگیرد . میزان تغییر شکل دیافراگم را می توان به روشهای مکانیکی ، نوری یا خازنی اندازه گیری کرد . معمولاً دیافراگم بصورت فلزی یا سرامیکی ساخته می شوند و گستره مفید اندازه گیری آنها از 1Pa یا 0.01torr به بالاست .
فشار سنج الکترونیکی :
برخی انواع فشار سنجها ی الکترونیکی که در کاربردهای صنعتی بکار گرفته میشوند عبارتند از :
فشار سنج پیزو مقاومتی.
* فشار مکانیکی اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی شده و فشار اعمال شده اندازه گیری میشود
فشار سنج خازنی
* : با استفاده از دیافراگم و ایجاد یک خازن متغیر فشار اعمالی را اندازه میگیرد
فشار سنج مغناطیسی
* : میزان جابجایی دیافراگم منجر به تغییر در اندوکتانس (خاصیت سلفی LVDT ، اثر هال یا جریان ادی شده و فشار اندازه گیری میشود . LVDT نوعی مبدل الکتریکی (حاوی چندین سیم پیچه سلونوئیدی) است که برای اندازه گیری جابجاییهای خطی بکار گرفته میشود
فشار سنج پیزو الکتریک
* از اثر پیزو الکتریک( تغییر ولتاژ خروجی یک ساختار کریستالی در اثر اعمال فشار مکانیکی ) در برخی مواد خاص مانند کریستال کوارتز برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
* فشار سنج نوری: از تغییرات فیزیکی بعمل امده برروی فیبر نوری براثر اعمال فشار برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
فشار سنج پتانسیومتری
* از حرکت یک لغزنده برروی یک مکانیزم مقاومتی که بطور متناسب با فشار اعمالی به لغزنده بوجود می آیدومنجر به تغییر مقاومت میشود، فشار اندازه گیری میشود
فشار سنج تشدیدی
* از تغییر فرکانس نوسان در یک مکانیزم حس کننده فشار برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
فشار سنج هدایت حرارتی
در گازهای واقعی هر چه چگالی گاز ( مثلاً بر اثر افزایش فشار ) بیشتر شود ، توانایی آن در هدایت حرارت افزایش پیدا می کند. لذا از این خاصیت گازها برای اندازه گیری فشار استفاده می شود . در این فشارسنجها یک سیستم فیلامان با جریان الکتریکی گرم می شود سپس دمای فیلامان با یک دماسنج مقاومتی (RTD) اندازه گیری می شود . این دمای اندازه گیری شده به میزان از دست دادن حرارت فیلامان به محیط گاز اطراف خود یا همان هدایت حرارتی گاز بستگی دارد . این نوع دماسنجها به دو نوع دو سیمه و یک سیمه تقسیم میشوند. نوع دو سیمه این فشارسنجها ، از یک سیم پیچ بعنوان گرم کننده و از سیم دیگر که نزدیکی فیلامان گرم کننده قرار دارد برای اندازه گیری دما استفاده می کنند . این سیم ها معمولاً از پلاتین هستند .

نوع یک سیمه این فشارسنجها که به فشارسنج پیرانی[24] معروف است از یک سیم پلاتین که در معرض فشار تحت اندازه گیری است تشکیل شده است. سیم توسط یک جریان الکتریکی گرم شده و توسط گاز اطراف آن خنک می شود . اگر فشار گاز کم شود ( مثلاً با افزایش مقدار خلاء ) ، اثر خنک کنندگی کاهش پیدا می کند و بنابراین دمای تعادل سیم افزایش پیدا می کند و در نتیجه مقاومت سیم که تابعی از دمای آن است تغییر کرده و با اندازه گیری ولتاژ دو سر آن که در اثر عبور جریان مناسب گرم کننده ایجاد می شود ، می توان فشار تحت اندازه گیری را تعیین کرد . این نوع فشارسنج که توسط مارچلو پیرانی اختراع گردید در گستره 10 torr تا 10-3 torr ( محدوده خلاء ) از درستی خوبی برخوردار است و معمولاً برای اندازه گیری خلاء استفاده می شد .
فشارسنج یونیزاسیون
این فشارسنجها ، فشارسنجهای حساسی هستند و برای اندازه گیری فشارهای خیلی کم ( خلاء شدید ) استفاده میشوند . آنها فشار را بطور غیرمستقیم و از طریق یونهای الکتریکی ایجاد شده در اثر بمباران الکترونی گاز اندازه می گیرند . هر چه چگالی گاز کمتر باشد ، یونهای کمتری ایجاد می شوند . گاز میتواند هوای معمولی درون یک محفظه که فشار آن تحت اندازه گیری است و توسط یک پمپ در حال خلاء است باشد.
برای ایجاد الکترونها از پدیده ترمویونیک که در کاتدهای داغ یا کاتدهای سرد بوجود می آید استفاده می کنند . این الکترونها با اتمهای گاز برخورد کرده و یونهای مثبت بوجود می آورند . این یونها توسط یک الکترود جمع کننده که به ولتاژ مناسبی متصل است جذب می شوند .
جریان ایجاد شده در این الکترود جمع کننده ، متناسب با میزان یونیزاسیون گازی است که فشار آن تحت اندازه گیری می باشد. بنابراین اندازه گیری جریان الکترود جمع کننده ، فشارگاز را می تواند تعیین کند . گستره کاری این فشارسنجها از 10-3 torr تا 10-10 torr (Pa 10-1 تاPa 10-8 پاسکال ) است .
در مدلهای کاتد داغ ، فیلامانهای داغ شده ، اشعه الکترونی را بوجود می آورند این الکترونها طول فشارسنج را طی کرده و مولکولهای گاز حول خود را یونیزه می کنند . یونهای ایجاد شده توسط یک الکترود با قطب منفی جمع آوری شده و ایجاد جریانی می کند که متناسب با تعداد یونهای ایجاد شده و در نتیجه متناسب با فشار تحت اندازه گیری است .
اصول کار مدل کاتد سرد نیز مشابه کاتد داغ است ، بجز اینکه الکترونها در اثر تخلیه الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا بوجود می آیند . گستره اندازه گیری مدل کاتد داغ معمولاً 10-3 torr تا 10-10torr و کاتد سرد 10-2 torr تا 10-9 torr ( 10 برابر کمتر از کاتد داغ ) است .
اندازه گیری فشار (Piezometry)

فشار به معنی مقدار نیروی وارد شده بر واحد سطح است. از همین مطلب می توان به واحد های گوناگون فشار در سیستم های مختلف دست یافت. در استاندارد "dync/cm²=bar" C.G.S. ، در استاندارد.M.K.S علمی "Pascal" ، و در M.K.S. عملی "Kgf/m²" و در استاندارد انگلیسی "Psi" واحد های فشار در سیستم های گوناگون هستند.
مقادیر فشار همیشه نسبت به یک فشار مبداء اندازه گیری می شوند که این فشار مبداء ، در واقع همان فشار اتمسفر یا فشار جو می باشد. فشار اتمسفر به کمک آزمایش تریچلی در سطح دریا اندازه گیری می شود و مقدار آن برابر است با:
760mm Hg = 14.7 Psi =1 Bar = 1Kgf/cm²
فشاری که نسبت به فشار اتمسفر سنجیده می شود ، فشار نسبی است و فشاری که نسبت به فشار مطلق خلا سنجیده شود را فشار مطلق می گویند. وسایل و روش های اندازه گیری فشار بسیار متفاوتند ، در زیر شرح کوتاهی از آن ها را می آوریم:
3-1-1- اندازه گیری فشار توسط مانومتر ها (Manometers)
ساختمان مانومتر ها که به فشار سنج های اولیه موسومند ، از شیشه ای محکم ساخته شده و صفحه ی آن ها بر حسب اینچ ، سانتی متر یا میلی متر مدرج شده و مایع درون آن ها معمولا آب یا جیوه می باشد. از مانومترها برای اندازه گیری فشارهای کم استفاده می شود که در خواندن فشارهای خیلی کم از نوع آبی آن استفاده می گردد. مانومترها انواع زیادی دارند که در زیر به گونه های عمده ی آن ها اشاره شده است:
· مانومتر یک شاخه ای (Single Leg Manometer)
· مانومتر دو شاخه ای (V-Tube Manometer)
· مانومتر مورب Inclined Manometer) ، این مانومتر حد تفکیک بهتری را فراهم می کند.
· انواع بالا را نیز می توان با خاصیت القای مغناطیسی به کار برد که معمولا یا از سیالی با خاصیت مغناطیسی به کار می رود و یا این که شناوری روی سطح به عنوان هسته ی مغناطیسی به کار می برند.
3-1-1- اندازه گیری فشار توسط فشار سنج های لوله بوردن (Bourdon Tube)
برودن نام دانشمندی است که این وسیله را اختراع کرد. جنس لوله های برودن بیشتر از برنز ، برنج ، آلیاژهای مس فولاد ضد زنگ و یا نیکل سخت می باشد. خاصیت فیزیکی ای که در این روش اندازه گیری به کار برده شده است استفاده از ویژگی ارتجایی مواد در برابر فشار است. به شکل های مختلف ساخته می شود:
· لوله ی C شکل (C-Tube): یک لوله با انتهای بسته است که زاویه ای در حدود 250 درجه دارد و زمانی که به آن فشار وارد می شود ، در اثر اختلاف اندازه ی محیط بیرونی و درونی ، تمایل به راست شدن پیدا می کند. تغییر وضعیت لوله متناسب با فشار مورد اندازه گیری است. باز و جمع شدن لوله بین 25/0 تا 4/0 اینچ می باشد و اگر بیشتر از این مقدار باز شود ، فنریت خود را از دست خواهد داد.

· لوله ی فانوسی (Bellows Tube): دم یا فانوس ، ساختمانی شبیه به دم آهنگری دارد. رابطه ی فشار و جابجایی خطی است و حوزه ی جابجایی آن در حدود 5 تا 10 در صد کل طول آن می باشد و به طور معمول برای اندازه گیری فشار نسبی از آن استفاده می شود.
· لوله ی حلقوی (Helical Tube): نواری تو خالی که دارای یک گام طولی است و در اثر فشار تغییر شکل می دهد.
· لوله ی حلزونی (Spiral Tube): به صورت لوله ای که به دور خود چرخیده باشد است و حرکت آن نسبت به فشار در مقایسه با لوله یC شکل بیشتر است.
· دیافراگم (Diaphragm): جنس دیافراگم را از می توان از فلز یا غیر فلز انتخاب کرد. در نوع غیر فلزی که در رنج فشار پایین تری به کار می رود ، استفاده از چرم و لاستیک متداول تر است.
· کپسول (Capsule): ترکیبی از دو دیافراگم است مه از ناحیه ی لبه ها به یکدیگر جوش داده شده اند و نسبت به دیافراگم دقت بیشتری دارد.
اندازه گیرهای الکتریکی فشار (ElectricalPressure Measurement)
برای جلوگیری از استفاده ی قطعات و اجزای اضافی و افزایش هزینه و جلوگیری از وارد شدن نویز و ایجاد خطا در سنجش فشار و تبدیل آن به کمیتی الکتریکی با دو روش گفته شده در قبل ، از روش های زیر نیز استفاده می گردد:
· استرین گیج ها (Strain-Gages):
معروف ترین اندازه گیر های الکتریکی فشار می باشند و معمولا برای اندازه گیری فشارهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع آن ها برای سنجش کرنش استفاده می شوند و می توان برای اندازه گیری فشارهای کم نیز از آن استفاده کرد. استرین گیج ها را معمولا از سیم هایی با جنس مس نیکل می سازند و به صورت زیکزاکی روی پلاستیک های مقاومی می چسبانند. ابعاد ان ها از چند میلی متر مربع تا چند سانتی متر مربع است و دارای مقاومتی از چند ده تا چند هزارم اهم می باشند. برای جلو گیری از اثر تغییرات درجه حرارت ، معمولا استرین گیج کمکی در جهت عمود بر استرین گیج اصلی و در نزدیکی آن قرار می دهند.
· اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive PressureMeasurement):
در این نوع اندازه گیری ، اغلب فشار مورد اندازه گیری به جابجایی و تغییر فاصله ی جوشن ها تبدیل می شود و در این صورت ، تغییر ظرفیت خازن حاصل می شود. تغییر ظرفیت نیز معمولا توسط یک پل AC و یا یک مدار اسیلاتور تبدیل به ولتاژ یا فرکانسی متناسب با فشار می گردد. [2]
· اندازه گیری های پیزوالکتریکی فشار (PiezoelectricalPressure Measurement): عناصر پیزوالکتریک ، عناصری با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بر عکس می باشند. هر گاه یک عنصر پیزوالکتریک مانند یک کوارتز تحت فشار P قرار گیرد ، میلی ولت متر ولتاژی متناسب با فشار را نشان خواهد داد. در عناصر پیزوالکتریک ، پلاریته ی تولید شده متناسب با جهت فشار است.

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

سنسورهای فشار پیزو الکتریکی نسبت به سنسورهای پیزو مقاومتی حساس تر و ارزان تر هستند آنها در مقایسه با سنسورهای خازنی ،یک مشخصه پاسخ تقریبا خطی ارائه می کنند همچنین آماده سازی سیگنال ساده تر است.
سنسورهای پیزو مقاومتی که با استفاده از تکنولوژی سیلیکان بر روی یاقوت کبود(SOS) تولید می شوند،می توانند در درجه حرارت هایی حداثر تا 425 درجه و فشارهایی حداکثر تا 10Pa به کار برده شوند.
سنسور فشار پیزو Siچندگانه در طی زمان های طولانی تر پایدارتر است. محدوده حرارتی عملکرد آن حداکثر تا 200 درجه سانتیگراد توسعه پیدا می کند. رانش حرارتی ولتاژ خروجی می تواند در مقایسه با سیلیکان تک کریستالی به طور قابل ملاحظه ای کاسته شود.
انواع فشار سنج های صنعتی
فشار سج ها کاربرد بسیار فراوانی در صنعت دارند، زیرا فشار یکی از مهم ترین پارامتر هایی است که در صنعت اندازه گیری می شود.فشار به روش های مختلفی اندازه گیری می شود.در روش مکانیکی فشار به یک قطعه قابل ارتجاع وارد شده و باعث جابه جایی آن می شود،این حرکت ایجاد شده بوسیله چرخ دنده ها به یک نمایشگر منتقل شده، که بر روی صفحه نمایش نشان داده می شود.
قطعه قابل ارتجاع می تواند از جنس لوله بوردون تیوب و یا یک تیوب فانوسی تشکیل شده باشد.
ولی در سنسور های دیافراگمی فشار به یک دیافراگم وارد شده و باعث می شود آن مرتجع گردد سپس با تبدیل ارتجاع ایجاد شده در دیافراگم به حرکت مکانیکی می توان فشار را اندازه گیری کرد.
سنسور دیافراگمی جهت اندازه گیری فشار های پایین،بز بوردون تیوب بهتر عمل می کند.و احتمال اینکه ورودی فشار محدود شود کم تر می باشد.
یکی از عیب های دیافراگمی پاره شدن دیافراگم در اثر فشار های ناگهانی می باشد.امروزه بندرت از این سنسور ها جهت اندازه گیری فشار مستقیم استفاده می شود.
انواع وسایل اندازه گیری فشار عبارتند از :
فشار سنجهای هیدرواستاتیکی :
به طور مثال مانومتر ستون مایع نوعی از فشار سنج های هیدرواستاتیکی می باشد که فشار را با نیروی هیدرواستاتیکی که بر واحد سطح در پایین ترین موقعیت ستون سیالی که در درون لوله قرار دارد مقایسه می کند.فشار سنج های هیدرواستاتیکی پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند.
فشار سنجهای پیستونی:
فشارسنج های نوع پیستونی ،براساس ایجاد توازن بین فشار یک سیال با جرم یک جسم جامد ( مثل وزنه ) یا نیروی کشش فنر کار می کند .
فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مکانیکی):
در فشار سنج های مکانیکی هیچگونه سیالی ( مانند مایع در مانومترهای هیدرواستاتیکی ) استفاده نمی شود لذا به آن آنروید ( یعنی بدون سیال ) می گویند .فشار سنجهای بوردونی و دیافراگمی از دسته فشار سنج های مکانیکی می باشد.
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 .
انواع مختلف پرشر گیج های مکانیکی شرکت ویکا
فشار سنج الکترونیکی : این فشار سنج ها در صنعت کاربرد فراوانی دارند همانند فشار سنج پیزو مقاومتی که فشار اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی می شود که به این روش فشار اعمال شده اندازه گیری می شود.
انواع مختلف پرشر گیج های الکترونیکی شرکت ویکا
فشار سنج خازنی : با استفاده از خازنی متغیر و دیافراگم فشار اعمالی اندازه گیری می کند.
فشار سنج مغناطیسی:میزان جابجایی دیافراگم منجر به تغییر در خاصیت سلفی می شود.
فشار سنج پیزو الکتریک:از اثر پیزو الکتریک برای اندازه گیری فشار استفاده می شود.
فشار سنج نوری: از تغییرات فیزیکی بعمل امده برروی فیبر نوری براثر اعمال فشار برای اندازه گیری فشار استفاده می شود
فشار سنج پتانسیومتری:از حرکت یک لغزنده برروی یک مکانیزم مقاومتی که بطور متناسب با فشار اعمالی به لغزنده بوجود می آیدومنجر به تغییر مقاومت میشود، فشار اندازه گیری می شود.
فشار سسنج تشدیدی: در این سنسو ر ها برای اندازه گیری فشار از تغییر فرکانس نوسان در یک مکانیزم حس کننده فشار استفاده می شود.
.

منبع:
۲- اصول و اجزاء: کنترل صنعتی / سبزپوشان- سید حجت / انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران / چاپ پنجم 1386
۳- ابزار دقیق و کنترل فرآیند به ضمیمه آزمایشگاه / تقوی فر- محسن / انتشارات صفار / چاپ چهارم 1386
https://www.noandishaan.com/forums/thread125566.html
کاربرد پیزوالکتریک در اندازه گیرهای فشار

2