به نام خدا
حسگرهای اندازه گیری فشار و کاربرد آنها
. سنسور فشار
به سنسورهای فشار، مبدلهای فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشاندهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … نیز گفته می شود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند. با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند. هم چنین طبقه ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه گیری حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد. این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار می کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.
سنسور فشار عموما فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند. برای این منظور می توان سیگنال الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده می شوند. سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند. برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع از این متغیرها هستند.
سنسور فشار
پیزوالکتریک
در پیزوالکتریک تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ می شود. در حقیقت ضربات وارد شده باعث تولید ولتاژ می شود نمک راشل که در میکروفن های قدیمی استفاده می گردید خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتس رایج ترین پیزوالکتریک می باشد . سنسورهای پیزوالکتریک بخاطر دقت بالا کاربردهای فراوانی دارند . ویژگی های عمده این سنسورها سختی، سایز کوچک ،سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه هستند با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک می توان سرعت و تغییرات شتاب را نیز اندازه گیری نمود .
یک سنسور هم کمیت فیزیکی معین را که باید اندازه گیری شود به شکل یک کمیت الکتریکی تبدیل می کند، که می تواند پردازش شود یا به صورت الکترونیکی انتقال داده شود. مثلاً یک سنسور رنگ می تواند تغییر در شدت نور را به یک پروسه تبدیل نوری الکترونی به صورت یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند. بنابراین سنسور را می توان به عنوان یک زیر گروه از تفکیک کننده ها که وظیفه ی آن گرفتن علائم ونشانه ها از محیط فیزیکی و فرستادن آن به واحد پردازش به صورت علائم الکتریکی است تعریف کرد. البته سنسوری مبدلی نیز ساخته شده اند که خود به صورت IC می باشند و به عنوان مثال (سنسورهای پیزوالکترونیکی، سنسورهای نوری).
پیزوالکتریک :
وقتی ما از سنسوری مجتمع صحبت می کنیم منظور این است که تکیه پروسه آماده سازی شامل تقویت کردن سیگنال، فیلترسازی، تبدیل آنالوگ به دیجیتال و مدارات تصحیح می باشند، در غیر این صورت سنسوری که تنها سیگنال تولید می کند به نا سیستم موسوم هستند.
امروزه بحث سنسور به اهمیت مفاهیمی از قبیل میکروپرسسور (پردارزش گر)، انواع مختلف حافظه وسایر عناصر الکترونیکی رسیده است، با این وجود سنسور هنوز هم فاقد یک تعریف دقیق است همچنانکه کلمات الکترونیکی از قبیل پروب، بعدسنج، پیک آپ یا ترنسدیوسر هنوز هم معانی لغوی ندارند. جدا از این ها کلمه سنسور خود ریشه بعضی کلمات هم خانواده نظیر المان سنسور، سیستم سنسور، سنسور باهوش و تکنولوژی سنسور شده است کلمه سنسور یک عبارت تخصصی است که از کلمه لاتین Sensorium، به معنی توانایی حس کرد، یا Sensus به معنی حس برگرفته شده است. پیش از آن که بحث را ادامه دهیم لازم است عبارت سنسور را در صنعت الکترونیک تعریف کنیم:
در نوع پیشرفته به نام سنسور هوشمند یک واحد پردازش به سنسور اضافه شده است تا خورجی آن عاری از خطا باشد منطقی تر شود. واحد پردازش سنسور که به صورت یک مدار مجتمع عرضه می شود اسمارت (Smart) نامیده می شود. یک سنسور باید خواص عمومی زیر را داشته باشد تا بتوان در سیستم به کار برد که عبارتند از:
حساسیت کافی، درجه بالای دقت و قابلیت تولید دوباره خوب، درجه بالای خطی بودن، عدم حساسیت به تداخل و تاثیرات محیطی، درجه بالای پایداری و قابلیت اطمینان، عمر بالای محصول و جایگزینی بدون مشکل.
امروزه با پیشرفت صنعت الکترونیک سنسوری مینیاتوری ساخته می شود که از جمله مشخصه ی آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
سیگنال خروجی بدون نویز، سیگنال خروجی سازگار با باس، احتیاج به توان پایین.
سنسور فشار
سنسور فشار جهت اندازه گیری فشار مایع و یا فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد . فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار به صورت مبدل کار می کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.
در سال ۱۸۸۰ برادران کوری خاصیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی توسط مواد پیزوالکتریک را کشف کردند. هنگام تحقیق روی برخی از مواد طبیعی از قبیل تورمالین و کوارتز کشف شده است.
در سال ۱۸۸۱ گابریل لپمن بر اساس محاسبات ترمودینامیکی توانست خاصیت معکوس مواد پیزو الکتریک را اثبات کند که فورا توسط آزمایشات برادران کوری تایید شد.
11
تاریخچه و اساس اثر پیزوالکتریک
12
نامگذاری این مواد بنام پیزو الکتریک هم در سال ۱۸۸۱ توسط ویلیام هنکل صورت گرفت. پیزو از کلمه یونانی πιέξειν (پیزن) به معنای فشار مشتق شده است.
با اعمال نیروی مکانیکی (انبساط یا انقباض) به مواد پیزوالکتریک مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارها منفی فاصله می گیرد و یک دو قطبی حاصل می شود در نتیجه مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود ، به این اثر ، پیزوالکتریک مستقیم گویند .
این پدیده در موادی رخ می دهد که ساختارهای بلوری آنها نامتقارن است بعبارتی دیگر شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم تقارن مرکزی در ساختار کریستالی آن است زیرا در کریستال های متقارن هیچ ترکیبی از تنشهای یکنواخت نمی تواند سبب جداشدن بارهای الکتریکی شود .
همچنین در صورت اعمال میدان الکتریکی به این مواد شاهد تغییر ابعاد (انبساط و انقباض ) آنها خواهیم بود به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند .
13
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس :
شکل زیر دو قطبی مولکول ماده ی کوارتز را نشان می دهد. در حالت عادی، هیچ نیروی خارجی بر کریستال کوارتز وارد نشده است. با اعمال نیروی خارجی کششی، وضعیت دو قطبی تغییر کرده و بارهای سطحی در کریستال ظاهر می شوند که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل می شوند. با تغییر جهت نیروی خارجی (از کششی به فشاری) جهت اختلاف پتانسیل عوض می شود.
14
عکس حالت بالا نیز امکان دارد. یعنی مواد پیزوالکتریک می توانند انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. با دادن ولتاژ مثبت، کریستال کوارتز دچار کشیدگی و با اعمال ولتاژ منفی، دچار فشردگی می شود. اگر ماده پیزوالکتریک را به منبع متناوب (AC) وصل کنیم آنگاه شاهد یک لرزش مکانیکی خواهیم بود.
15
طی جنگ جهانی اول مبدل التراسونیک پیزو الکتریکی ساخته شد.
این موفقیت باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزوالکتریک در کاربردهای زیر آبی شد.
در طی جنگ جهانی دوم، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا، شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد.
محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد اما این مساله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیرکونا تیتانا در دهه های ۱۹۴۰، ۱۹۵۰ برطرف شد.
بیش از 50 سال است که سنسور های پیزو الکتریک برای اندازه گیری فرایندهای مختلف به صورت یک وسیله رایج در آمده اند.
17
فرایند ساخت پیزوسرامیکها شامل 16 مرحله است :
وزن کردن، مخلوط کردن و آسیاب کردن موادی مانند زیرکونیا، اکسید سرب، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شروع میشوند.
سپس مواد مخلوط شده کلسینه شده و واکنش انجام میدهند تا ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شود.
ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شده که دارای مقداری رطوبت است به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب میشود.
18
فرایند تولید
سپس چسبها و روانسازها افزوده میشوند و ماده به دستآمده در اسپریدرایر خشک میشود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود.
بعد از آماده سازی مواد اولیه، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته میشود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین 6 تا 100 تن است.
اجزا شکل داده شده در دمای 1300 درجه فارنهایت در شرایط کنترلشده اتمسفری پخت بیسکویت میشوند تا چسبها و روانکنندههای لازم برای عمل شکلدهی در این مرحله سوخته و خارج شود.
19
فرایند تولید
قطعات بیسکویت در بوتههای مخصوص "آلومینا بالا" قرار داده شده و برای پخت در دمای بالا در داخل کوره قرار داده میشوند.
کوره الکتریکی تا حدود دمای 2300 درجه فانهایت گرم میشود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته میشود (قطعات سرامیکی برای کنترل تبخیر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا در بوتههای آلومینا بالا قرار داده میشوند).
سپس سرامیک پختهشده با دقت زیادی به اندازههای معین ماشینکاری میشود.
20
فرایند تولید
بعد از مرحله اندازهبندی، قطعات سرامیک متالیزه میشود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آنها نشانده میشود. این کار به کمک تکنیکsilk screening انجام میشود و از الکترودهای نقره، طلا، نیکل یا پلاتینیوم-پالادیوم استفاده میشود. الکترودهای متالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیمهای فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل میشوند و در دمایی در حدود 700 درجه سانتیگراد پخته میشوند.
21
فرایند تولید
بعد از این مرحله، نوبت به عمل قطبیکردن قطعههای سرامیکی میرسد. در عمل قطبیکردن ولتاژ جریان مستقیم(DC) به سرامیکی که در یک روغن دیالکتریک گرم شده و مقاوم قرار دارد، اعمال میشود تا دوقطبیهای آن در یک سمت جهتگیری کنند. قطعات سرامیکی قطبیشده اکنون پیزوالکتریک هستند.
بعد از قطبی کردن، نوبت به کنترل کیفی خواص میرسد. قطعات جهت تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمایش و بررسی میشوند.
قطعات آزموده شده آماده بستهبندی و ارسال و استفاده هستند.
22
فرایند تولید
الف) کریستال های طبیعی:
Quartez
نمک راچل
نیشکر
Berlinite
Topaz (یاقوت زرد)
23
انواع مواد پیزوالکتریک
ب) مواد طبیعی دیگر:
تاندون : تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاً عضلات را به استخوان مرتبط می کند و قادر به تحمل تنش هستند.
ابریشم
برخی از چوب ها
مینای دندان
عاج دندان
ج) کریستال های مصنوعی:
گالیوم اُرتوفسفات (GaPO4)
لانگاسیت (La3Ga5SiO14)
24
انواع مواد پیزوالکتریک
د) سرامیک های مصنوعی:
باریوم تیتانیوم (BaTiO3) : که اولین سرامیک کشف شده با اثر پیزو الکتریک بود.
تیتانات سرب (PbTiO3):
تیتانات زیرکونات سرب : که بیشتر به PZT معروف است و یکی از سرامیک های پرکاربرد امروزی محسوب می شود.
نیوبیت پتاسیم (KNbO3)
25
انواع مواد پیزوالکتریک
نیوبیت لیتیوم (LiNbO3)
سدیم تنگستات (Na2WO3)
سدیم پتاسیم نیوبیت (NaKNb): بررسی دقیق تر نسبت به پیزو سرامیک های سرب در سال 2004 منجر به کشف خواصNaKNb شد که بسیار شبیه به PZT عمل می کند.
سموت فریت (BiFeO3): این نوع سرامیک بهترین گزینه برای جایگزینی به جای سرامیک های سرب می باشد.
سدیم نیوبیت (NaNbO3)
26
انواع مواد پیزوالکتریک
هـ)پلیمرها:
(PVDF ) خاصیت پیزو الکتریسیته در این نوع پلیمر چندین برابر بیشتر از کواتز است اما انعطاف پذیری مکانیکی کمی دارند. در پلیمرها مولکول های در هم تنیده شده هنگامی که در اثر میدان الکتریکی قرار می گیرند همدیگر را جذب یا دفع می کنند.
27
انواع مواد پیزوالکتریک
اجسام پیزو الکترونیک که سنسور های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول که بیشتر نیز مورد استفاده قرار می گیرد اجسام تک بلوره هستند(Single-Crystal) مانند کوارتز (Quartz) . علی رغم اینکه این مواد دارای طول عمر زیادی هستند یعنی مدت زمان زیادی حساس باقی می مامند و خاصیت پیزویی خود را حفظ می کنند اما حساسیت کمی نسبت به نوع دوم (سرامیک ها) دارند. سرامیک ها علاوه بر اینکه حساسیت بیشتری دارند ارزان تر نیز هستند.
28
مقایسه سرامیک ها و تک بلوره ها
برای تولید مواد پیزو الکترونیکی سرامیکی از موادی از قبیل : باریم تیتانیوم (سرب زیرکونیم و سرب تیتانیوم و سرب متانیوتیت ) و … استفاده می شود. ایراد مواد سرامیکی این است که از آن جاییکه حساسیت آن ها در گذر زمان کاهش می یابد طول عمر سنسورهایی مجهز به مواد سرامیکی کوتاه تر از سنسورهای دارای مواد تک بلوره می باشد.
29
از آن جا که در سنسورهای پیزو الکترونیک سیگنال الکتریکی تولید شده دارای ولتاژ بسیار پایین می باشد و مقاومت خروجی نیز بسیار زیاد است باید سیگنال تولید شده را تقویت و هم چنین مقاومت خروجی را کاهش داد (با مبدل امپدانس) . در گذشته این مشکل را با استفاده از یک تقویت کننده و مبدل امپدانسی جداگانه حل می کردند. مشکل این روش این است که نویز بسیار زیادی در سیستم به وجود می آید و هم چنین پیاده سازی این روش محدودیت های محیطی و فیزیکی بسیاری را نیز به وجود می آورد. امروزه آی سی های برای تقویت و تبدیل امپدانس وجود دارند که به صورت تجاری تولید شده و داخل خود سنسور نصب می گردند.
30
31
PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS
دو نوع ثابت وجود دارد که برای توصیف اثر پیزوالکتریک استفاده می شود:
g constant
d constant
که بصورت dij وgij نوشته میشوند که در آنها :
i= جهت اثر الکتریکی
j=جهت اثر مکانیکی
32
g constant is defined as:
gij=(field produced in direction i)/(stress applied for direction j)
d constant is defined as:
dij=(charge generated in direction i)/(force applied in direction j)
q/F
33
روابط اولیه پیزو الکتریسیته بدین شرح هستند:
P = D x stress and E = strain/D
Where,
P = پلاریزاسیون(قطبی شدگی)
E = میدان الکتریکی
D = ضریب پیزوالکتریک (متر بر ولت)
34
عنوان 1
بعنوان مثال در یک پیزو الکتریک مستطیلی :
F : نیروی وارده بر پیزو
d : ضخامت پیزو
A : سطح مقطع ماده پیزو
k : ثابت پیزوالکتریک
k برای کوارتز 2.3 و برای باریم تیتانات 140 می باشد.
35
انواع سنسورهای پیزو الکتریک : شتاب سنج ، STRAIN GAGE،
سنسورهای نیرو وفشار ، سنسورهای جریان سیالات
موتورهای پیزوالکتریک
ژنراتور های پیزوالکتریک
نوسانگر پیزو الکتریک
چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک
منبع با ولتاژ بالا
36
مثال هیی از کاربرد مواد پیزو الکتریک
با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می توان پیزوسرامیک ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد:
در بخش پزشکی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین
تفنگ های لیزری
چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی
پمپ های قلب
تفنگهای لیزری برای درمان آب مروارید چشم
مته ها و پاک کننده های دندانی
37
مثال هایی از کاربرد مواد پیزو الکتریک
تصویر برداری فراصوت
ارتباطات سیار و راه دور
جوهر افشان پرینتر
فندکهای اجاق گاز
زنگ خطر آژیرهای خطر
برشکاری و جوشکاری و عیب یابی در داخل قطعات فلزی صنعتی
38
مثال هایی از کاربرد مواد پیزو الکتریک
39
امروزه این سنسورها برای اندازه گیری فشار، شتاب ، نیرو یا کشش و کنترل فرایند در توسعه صنایع مختلف به کار می روند.
ماشین های لباسشویی ، از سه سنسور برای کنترل میزان بار و میزان سطح آب و کنترل چرخش استفاده می شود سنسورهای پیروالکتریکی
یک استفاده مهم سرامیک پیزوالکتریک ، در ایجاد و دریافت کردن امواج صوتی است گستره کاربرد این مواد از ابزارها و تجهیزات اولتراسونیکی ، برای عمق یابی در دریا و پیداکردن محل تجمع ماهیها تا تجهیزات ردیاب زیردریایی ها است
40
کاربرد سنسور های پیزو الکتریک
سنسور های خودرو (عموما بین 18 تا 30)
مبدل های کوچک در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب
تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن های پیزوالکتریک و یا گیرنده های پیزوالکتریک در گیتارها.
41
کاربرد سنسور های پیزو الکتریک
در شتاب سنج های پیزوالکتریک یک جرم در ارتباط مستقیم با یک پیزو الکتریک قرار میگیرد و با توجه به بار تولیدی توسط پیزو در اثر نیروی مکانیکی وارده بر آن بوسیله جسم ، نیرو و به تبع آن شتاب محاسبه می گردد.
برای بیان حساسیت این سنسورها با توجه به بزرگ بودن واحد کولن از Pc/g (پیکو کولن) استفاده می شود.
در ادامه انواع این شتاب سنج ها را ذکر و مختضرا عملکردشان را توضیح خواهیم داد.
42
شتاب سنج پیزوالکترونیک
در طراحی اتصال برشی یا ساندویچی ، کریستال حسگر مابین هسته مرکزی عمودی و جرم مرتعش قرار می گیرد. مجموعه هسته مرکزی، کریستال پیزوالکتریک و جرم مرتعش بوسیله یک حلقه به صورت یک مجموعه در می آیند.
ارتعاش موجب می شود تا جرم بر کریستال نیرو اعمال کند. با ایزوله کردن کریستال حسگر از پایه و بدنه این نوع از شتاب سنج ها عملکرد مناسبی در دفع اثرات حرارتی و خمشی محل نصب خواهند داشت. این نوع حسگر ها همچنین دارای ابعاد کوچکتری نیز می باشند.
43
۱- نوع برشی (Shear Mode)
44
در حالت خمشی کریستال به صورت یک تیر می باشد که بر روی تکیه گاه قرار گرفته است. وجود تکیه گاه موجب می شود تا بر اثر نیروی ناشی از شتاب تنش در کریستال ایجاد شده و در نتیجه آن شارژ الکتریکی نیز در آن ایجاد شود. در بعضی از موارد کریستال را بر روی یک تیر نگهدارنده نصب می کنند تا مقدار تنش ناشی از شتاب بیشتر گردد. این طراحی سنسور شتاب موجب می شود تا سنسور دارای وزن کمتر، ثبات دمایی بهترو قیمت پایین تر باشد. یکی دیگر از مزایای این سنسور عدم حساسیت به حرکت های عمود بر جهت اندازه گیری شتاب می باشد. عموما این طراحی برای فرکانس های پایین و یا شتاب های پایین استفاده می شود.
45
۲- نوع خمشی (Flexural Mode)
46
شتاب سنج هایی بر اساس تحت فشار قرار گرفتن پیزوالکتریک کار می کنند دارای ساختاری ساده و استحکام بالا می باشند. سه نوع طراحی برای این نوع از شتاب سنج ها وجود دارد:
۱. upright
۲. inverted
۳. isolated
47
3- حالت فشاری (Compression Mode)
در طراحی Upright، کریستال پیزو الکتریک مابین جرم مرتعش و پایه سنسور قرار می گیرد. المان حسگر(مجموع کریستال و جرم مرتعش) توسط پیچی که خاصیت الاستیک دارد به پایه متصل می گردد. با تغییر شتاب سنسور مقدار نیرویی که توسط جرم مرتعش به کریستال وارد می گردد تغییر کرده و به تناسب آن نیز مقدار الکتریسیته تولید شده توسط کریستال نیز تغییر می یابد.
48
upright
طراحی این نوع از سنسورهای شتاب به گونه ای است که می توان از آنها در فرکانس های بالا استفاده نمود و فرکانس پاسخ دقیقی از آنها دریافت کرد. ساختار مستحکم آنها نیز موجب مقاومت این نوع از سنسورها در برابر شوک های ناشی از تغییر شدید شتاب می شود. ولیکن به دلیل تماس کامل کریستال حسگر با پایه سنسور این طراحی به تغییر شکل خمشی پایه و اثرات گذار حرارتی حساسیت بالاتری را دارد. این اثرات می توانند موجب ایجاد خطا در سیگنال های خروجی هنگامی که از آنها بر روی ورقه های فلزی یا در فرکانس های پایین در محیط هایی که از نظر حرارتی ناپایدار هستند، بشود. مانند نصب در محیط بیرونی و یا نزدیک فن ها و دمنده ها.
49
upright
در این طراحی کریستال حسگر نسبت به پایه سنسور عایق می شود این کار باعث می شود تا تاثیرات ناشی از خمش پایه و یا ناپایداری دمای محل نصب به حداقل برسد. در بسیاری از شتاب سنج های مرجعی که برای کالیبراسیون استفاده می شوند از این طراحی استفاده می گردد.
50
Inverted compression
این طراحی خطاهای ناشی از تغییر شکل های پایه سنسور و تغییرات حرارتی را کاهش می دهد. این مزیت با استفاده از ایزوله کردن کریستال حسگر از اثرات مکانیکی پایه سنسور و استفاده از یک جرم مرتعش تو خالی که به عنوان عایق حرارتی عمل می کند به دست می آید. این بهبود مکانیکی موجب می شود تا عملکردی پایدار، در فرکانس های پایین به دست آید، جایی که تغییرات سیگنال تولیدی در اثر نوسان حرارتی در دیگر انواع سنسورهای نوع فشاری رخ می دهد.
51
Isolated compression
اصول عملکرد این سنسور در ابتدای بحث توضیح داده شد.
زمانی که بر سنسور ، فشار وارد می گردد تنها چند لحظه بار الکتریکی ایجاد می گردد وهمانطور که پیشتر ذکر شد مقدار این بار متناسب شدت فشار وارده است.
بدلیل اینکه تنها چند لحظه بار الکتریکی ایجاد می گردد این سنسور برای اندازه گیری فشار های استاتیک بکار نمی رود.
سنسور های از جنس کوارتز بدلیل ارزان بودن و پایداری دمایی بهتر نسبت به دیگر انواع ، پرکاربرد ترین نوع سنسورهای سنجش فشار پیزوالکتریک هستند.
سنسور های از جنس تورمالین سریعترین پاسخ را بین سنسور های سنجش فشار پیزوالکتریک دارند . سرعت پاسخ دهی آنها حدود چند میکروثانیه است.
52
سنسور های فشار پیزوالکتریک
ضربه
لرزش
انفجار
سر و صدا
فرکانس نوسانات
شدت تراکم و غلظت
دبی سیالات
…
53
موارد تشخیص سنسور فشار پیزوالکتریک:
دقت بسیار بالا
اندازه گیری فشار های بسیار زیاد حتی فراتر از ۷۰ مگا پاسکال
سرعت پاسخگویی بالا حتی در حد کمتر از نانو ثانیه
توانایی عملکرد در شرایط دشوار محیطی
54
مزایای سنجش فشار با این نوع سنسور :
«حسگر های پیزو الکتریک» بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
55
57
کریستال پیزو الکتریک را می توان با یک مولد جریان(بار) q بموازات خازن CN مدل کرد:
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
58
Rs : مقاومت کریستال
Cs : ظرفیت خازنی کریستال
Cc : ظرفیت خازنی کابل
Ra : مقاومت نقویت کننده
Ca : ظرفیت خازنی تقویت کننده
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
59
+
–
مدار معادل:
C=Cs + Cc + Ca
R=Rs||Ra
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
60
با تبدیل لاپلاس گرفتن از طرفین خواهیم داشت:
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
61
می دانیم : q = d*F
لذا :
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
62
با توجه به تابع تبدیل بدست آمده حساسیت ولتاژ نسبت به نیرو با تغییر مقادیر ظرفیت خازن های کابل و تقویت کننده (Cc و Ca ) تغییر میکند بهمین دلیل از یک تقویت کننده بار استفاده میکنیم.
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
63
Measurement using Charge Amplifier:
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
64
From circuit Analysis:
از طرفین لاپلاس میگیریم:
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
65
بدین صورت حساسیت ولتاژ نسبت به تغییرات نیرو مستقل از مقاومت و طرفیت کابل می گردد.
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
66
مثال: سنسور فشار پیزو الکتریکی در اختیار داریم که خروجی از ۰.۵ تا ۱۱.۵ ولت را متناسب با ضربه وارده بر سنسور تولید میکند. میخواهیم خروجی این سنسور را به ADC آی سی ATMega 8 داده و شدت ضربات وارده را در چند سطح (بعنوان مثال : ضربه محکم ، متوسط، ضعیف)
بررسی مداری سنسور پیزوالکتریک
مناسب سازی سیگنال :
ولـتاژ خروجی از سنسورهای پیزوالکتریک می تواند از میکرو ولت تا صدها ولت باشد مدارهای پردازش سیگنال شامل فیلترها ، تقویت کننده ها و … تفاوت قابل ملاحظه ای می توانند داشته باشند.
مواردی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از: فرکانس عملیاتی دامنه سیگنال امپدانس ورودی کاربرد
67
SIGNAL CONDITIONING
خود تحریک (Self-generating) (بی نیاز به منبع انرژی خارجی)
اجزا بدون حرکت و سایش
فشرده و کم حجم
دارای حساسیت بالا
عموما دارایlinearity قابل قبول
پهنای باند بالا و عمل کردن در فرکانس های بسیار بالا
تشخیص نوسانات نامحسوس برای انسان
دارای محدوده ی فرکانسی وسیع و با قابلیت اندازه گیری فرکانسهای بالا
قابلیت دسترسی به مدلهای مختلف جهت استفاده های مختلف
68
مزایای سنسور های پیزوالکتریک
تغییر حساسیت با تغییر دما
سنجش پارامترهای دینامیک و عدم سنجش پارامترهای استاتیک
در عمل وقتی از مواد پیزو الکتریک با حساسیت پایین استفاده می گردد می توان دو یا سه بلور از این مواد را به هم وصل کرد تا سیگنال الکتریکی خروجی قوی تر گردد.
69
مزایای سنسور های پیزوالکتریک
نکته ای کاربردی
Linearity
پاسخ فرکانسی (فرکانس کاری)
حساسیت ولتاژ ( V/g یا V/Pa یا V/N )
فرکانس رزونانس
ظرفیت خازنی کریستال
وزن و ابعاد
شرایط محیط کاری
بازه دمایی عملکرد صحیح
مقاومت ویژه مورد نیاز
70
مشخصه هایی که هنگام انتخاب سنسور باید به آنها توجه کرد
تهران – خیابان جمهوری – بین حافظ و سی تیر – بعد از پاساژ امجد – پاساژ فرشته – پلاک 267
شماره تماس : 66720648 – 021
سنسور لرزش پیزوالکتریک بزرگ
MEAS-09197
قیمت در تاریخ ۹۵/۱/۱۹ : ۱۷۰,۰۰۰ریال
71
فروشگاه بل الکترونیک www.Iran-module.ir
آدرس : تهران – خ ولیعصر – بالاتر از م منیریه – خ اسدی منش – کوچه دارایی – پ 5 – واحد 4
شماره تماس : ۶۶۴۶۲۵۳۸ – 021
سنسور پیزوالکتریک GFN20
قیمت در تاریخ ۹۵/۱/۱۹ : ۱۷۵,۰۰۰ریال
72
www.Paytakht-elec.com
آدرس : اصفهان – خ فروغی- ساختمان کیمیا – واحد ۴
شماره تماس : ۰۳۱۳۳۳۸۵۸۳۲
سنسور لرزش پیزوالکتریک MINISENSE100
قیمت در تاریخ ۹۵/۱/۱۹ : ۳۰۰,۰۰۰ ریال
73
www.Roboeq.ir
شماره تماس : 09124494287
سنسور پیزوالکتریک LDT0-028K
قیمت در تاریخ ۹۵/۱/۱۹ : ۱۹۵,۵۰۰ریال
74
www.Shop.aftabrayaneh.com
سنسور فشار مطلق
سنسور فشار گیج Gauge
سنسور فشار خلا
سنسور فشار تفاضلی
سنسور فشار مهرشده(sealed)
انواع اندازه گیری فشار
این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.
سنسور فشار مطلق
این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می شود زیرا می تواند برای اندازه گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار ۰ psi را می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.
سنسور فشار گیج Gauge
این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا .
سنسور فشار خلاء
این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.
سنسور فشار تفاضلی
این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.
سنسور فشار مهرشده(sealed)
انواع جمع کننده نیرو
گیج های کشش پیزو رزیستور
خازنی
الکترومغناطیسی
پیزو الکتریک
نوری
پتانسیومتری
تکنولوژی حس کردن فشار
نوع دیگر
رزونانس
دم
یونیزاسیون
پیزو الکتریک
نوری
پتانسیومتری
از اثر پیزو رزیستور گیج های کشش قرارداده شده بر روی تکیه گاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. انواع تکنولوژی های معمول سیلیکن (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلی سیلیکن، ورق فلز قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم . عموما گیج های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می یابند تا خروجی سنسور را حداکثر کنند. این معمول ترین تکنولوژی به کار گرفته شده برای اهداف عمومی اندازه گیری فشار است. این تکنولوژی ها با اندازه گیری فشار مطلق، گیج، خلا و فشار تفاضلی وفق داده می شوند.
گیج های کشش پیزو رزیستور
از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند. تکنولوژی های معمولی از فلز، سرامیک و دیافراگم های سیلیکنی استفاده می کنند. این تکنولوژی ها برای فشارهای کم کاربرد دارند. ( مطلق، تفاضلی و گیج) در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می شود که باعث می شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود. بنابراین ظرفیت خازن تغییر می کند که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل به سیگنال الکتریکی می شود که در واحدهای فشار کالیبره شده است.
خازنی
جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال و یا قانون جریان ادی اندازه گیری می شود. سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲-۵ دارای دو سیم پیچی می باشد که با یک هسته مغناطیسی کوپل شده اند. هنگامی که فشار اعمال شده دیافراگم را حرکت دهد، این هسته جابجا می شود. خاصیت القایی توسط مدارهای الکترونیکی مانند مدارهای رزونانس اندازه گیری می شود.
الکترومغناطیسی
از اثر پیزو الکتریک در مواد معین همانند کوارتز استفاده می کند تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. این تکنولوژی برای اندازه گیری فشارهای پویا استفاده می شود. انواعی از کریستال ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم فلزی متصل است . یک سمت دیافراگم برای اندازه گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می باشد و سمت دیگر دیافراگم به طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد( در محدوده میکرو ولت ) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود . به منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت کننده باید در نزدیکی سنسور نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می کند. تغییرات دما کریستال را تحت تاثیر قرار می دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد.
پیزو الکتریک
از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. به عنوان مثال درFiber Bragg Grating از این تکنولوژی استفاده می شود. این تکنولوژی در کاربردهایی که با چالش همراه هستند استفاده می شود. برای مثال در مکان های غیر قابل دسترس، دماهای بالا و یا در تکنولوژی های ذاتا مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه گیری های راه دور.
نوری
از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند.
پتانسیومتری
اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می شود. برای استفاده از این تکنولوژی می توان از ابزار "جمع کننده نیرو" مانند موارد ذکر شده در بالا استفاده کرد. هم چنین می توان عنصر رزونانس کننده را به طور مستقیم در معرض ماده قرار داد . در این صورت نیز فرکانس نوسان وابسته به چگالی ماده می باشد. سنسورها از سیم های نوسان کننده، تیوب های نوسان کننده، کوارتز، و سیستم های میکرو الکترو_مکانیکی (MEMS) ساخته می شوند.در کل مشخصه این تکنولوژی، خروجی پایدار آن است.
رزونانس
با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می کند و به دنبال آن، گذردهی گرمایی آن تغییر می کند. نمونه رایج این سنسورها، گیج های "پیرانی" هستند.
دما
با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می کند و به دنبال آن، جریان یون های موجود در آن تغییر می کند.نمونه های رایج این نوع سنسور، گیج های کاتد سرد و کاتد گرم است.
یونیزاسیون
اندازه گیری فشار
اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
اندازه گیری جریان
اندازه گیری ارتفاع / عمق
آزمایش نشتی
کاربردها
این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن ها فشار کارایی دارد به کار می رود.
اندازه گیری فشار
کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن های هواشناسی و غیره می باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود۰
این معادله، برای ارتفاع سنجی تا ارتفاع ۳۶.۰۹۰ فوت (۱۱.۰۰۰ متر) تنظیم شده است. در خارج از این بازه، شاهد خطا خواهیم بود. این خطا را می توان برای سنسورهای فشار مختلف محاسبه کرد. عامل این خطا، تغییرات ناشی از دما درارتفاعات بالاتر می باشد. ارتفاع سنج هایی با سنسور فشار تفکیک پذیری کمتر از ۱ متر دارند و تفکیک پذیری آن ها بهتر از نوع ارتفاع سنجی با سیستم GPS ( که دارای تفکیک پذیری ارتفاع ۲۰ مترمی باشد) است. در کاربردهای موقعیت یابی، برای تشخیص جاده های تپه ای( برای موقعیت یابی اتومبیل) و یا ارتفاع طبقات ساختمان ها ( برای موقعیت یابی فرد پیاده) استفاده می شود.
اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
می توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتا کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.
اندازه گیری جریان
می توان از سنسور فشار برای اندازه گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد.معمولا از این تکنیک برای اندازه گیری مکان جسم غوطه ور در آب ( مانند غواص ها، زیر دریایی ها) و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می شود. برای بیشتر کاربردهای عملی، سطح مایع متناسب با فشار است. در مواردی مانند "آب شیرین" که زیر فشار اتمسفر می باشدداریم:
۱psi =۲۷.۷ in H۲O
۱pa = ۹.۸۱ mm H۲O
معادله اصلی برای این اندازه گیری معادله زیر است:
P=ρ*g*h
p= فشار
ρ=چگالی مایع
g=گرانش
h=فشار سنسور بالای مایع ستون ارتفاع
اندازه گیری ارتفاع / عمق
می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان
آزمایش نشتی
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1903/pierre-curie-bio.html
https://cosmologie.wordpress.com/subatomique/radioactivite/pierre-et-marie-curie/
http://www.tau.ac.il/~phchlab/experiments_new/QCM/piezoelectricity.html
http://www.spectrose.com/piezoelectric-effect-makes-quartz-watch-work.html
http://paganpath.com/study/academy/crystals/347-2
https://reinventedwheel.wordpress.com/2012/07/03/paper-fundamental-understanding-piezoelectric-strain-sensors/
99
منابع
با تشکر از توجه شما
100