به نام خدا
سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک
2
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.
حسگر 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.
اکتشاف و پژوهش های اولیه
اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس و فرنز آپینوسمطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورلادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن ها نتیجه قاطعی نداد.
تاریخچه
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوری انجام شد. آن ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش بینی رفتار کریستال ها شد و اثبات کردند کریستال های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (نمک راشل) خاصیت پیزوالکتریک دارند. کوارتز و نمک راشل بیش ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می کنند. کیوری ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپماندر سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.
در چند ده بعد، پیزوالکتریک یک پدیده کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش تری برای تعریف ساختار کریستال هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال ها به اوج خود رسید که ۲۰ دسته کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیره پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل ها و آمارهای کششی بدست آورد.
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.
9
11
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.
اولین استفاده عملی از دستگاه های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی بوسیله امواج صوتی) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند. دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه نازک فولاد متصل شده بودند و یک هیدروفن(دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می کند) برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه گیری کرد.
استفاده موفقیت آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه فزاینده ای در توسعه دستگاه های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دهه بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.
دستگاه های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان تر ساخته می شد. پیشرفت مبدل های ماوراء صوت موجب شد سنجشگران روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان تر شود که نتیجه آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج های ماوراء صوت می توانستند ترک های فلزات را درریخته گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.
در جریان جنگ جهانی دوم گروه های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن دستهٔ جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام گذاری شد و خیلی بیش تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می کردند و موجب علاقه ای وافر در توسعه تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی هایی منحصربفرد شد.
یک نمونه مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه کریستال “AT cut” شد. کریستالی که در محدوده دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجهٔ آن تسهیل استفاده درصنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.
پیشرفت دستگاه های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال های کوارتز اولین موادی بودند که از آن ها بهره برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرایند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.
در مقابل تولیدکننده های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش های ژاپنی ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش تر پیشرفت های ژاپنی ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی های جدید در صافی های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون ها، پیزوبوزر ها (تولید صدای تیز و تند)، مبدل های صدا که می توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک (و بریان کن ها) جرقه تولید می کنند، بود. مبدل های ماوراء صوت که امواج را به هوا می فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفاده تجاری در کنترل های تلویزیون بود. امروزه این مبدل ها بر روی انواع مختلف ماشین ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می کنند فاصله عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.
ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی های الکتریکی لحظه ای در جامدات مربوط می شود. سطح خارجی ممکن است در شبکه کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه گیری از دوقطبی های لحظه ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال ها محاسبه می شود. همچنان که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت گیری می کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت دار می شوند اما می توانند توسط فرایند قطبی سازی (با قطبی سازی مغناطیسی متفاوت است) هم جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی شوند.
سازوکار و ساختمان
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.
17
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.
18
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.
19
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.
20
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.
21
فرایند تولید
الف) کریستال های طبیعی:
Quartez
نمک راچل
نیشکر
Berlinite
Topaz (یاقوت زرد)
22
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)
23
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)
24
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)
25
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.
26
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.
27
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.
28
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.
29
30
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
31
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
32
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)
33
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.
34
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
35
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
36
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
37
مثال هایی از کاربرد مواد پیزو الکتریک
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
38
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.
39
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.
40
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.
41
۱- نوع برشی (Shear Mode)
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.
42
۲- نوع خمشی (Flexural Mode)
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
43
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.
44
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.
45
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.
46
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.
47
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.
48
سنسور های فشار پیزوالکتریک
ضربه
لرزش
انفجار
سر و صدا
فرکانس نوسانات
شدت تراکم و غلظت
دبی سیالات
…
49
موارد تشخیص سنسور فشار پیزوالکتریک:
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 .
50
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.
51
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.
53
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.
55
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
56
مزایای سنجش فشار با این نوع سنسور :
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
بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام آی تی، ژونگ لینگ ونگ فکر می کند که سیم های پیزوالکتریک نانو می توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.
نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیار کوچکند. آن ها می توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن ها را دشوار می کند. هدف ونگ، نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می برند است. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند.
پیزوالکتریک در نانو
ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ این پدیده را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایه میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می شود و به حالت اولیه برمی گردد پتانسیل تولید شده توسط یون های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می آورند. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می رسید. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهار کردن لرزه های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیله کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم ها می شود که به تولید جریان الکتریکی می انجامد.
ونگ نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست. او امیدوار است نهایتاً این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی پاد تامین کند.
برخلاف اجزای الکترونیکی قدیمی، نانوپیزوترونیک ها به منبع جریان خارجی نیاز ندارند و وقتی در معرض نیروی مکانیکی قرار می گیرند به خودشان نیرو وارد می کنند.
یک سمعک نانو پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته ای از نانو سیم ها استفاده می کند که هر کدام تنظیم شده است در محدوده عظیمی از صداها با فرکانس متفاوت به ارتعاش درآید. نانو سیم ها صداها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل و آن ها را پردازش می کنند به همین جهت آن ها مستقیماً می توانند به نرون های مغز فرستاده شوند. سمعک ها نه فقط متراکم تر و حساس تر می شوند بلکه باتری های آن ها قابل تعویض خواهد بود. حسگرهای نانوپیزوالکترونیک همچنین برای تشخیص فشار مکانیکی در موتور هواپیما استفاده می شوند؛ فقط چند ترکیب کوچک نانو سیم فشار را برصفحه نمایش می آورد؛ اطلاعات را پردازش می کند و به کابین خلبان منتقل می کند.
http://www.meta4u.com/forum/index.php?topic=12357.0
www.piezo.com
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Piezoelectricity
http://enote.mihanblog.com/post/23
Voir l'introduction aux leçons de René Just Haüy dans Leçons de physique, de chimie et d'histoire naturelle, Paris, Éditions Rue d'Ulm, coll. « L'École normale de l'an III », 2006
https://reinventedwheel.wordpress.com/2012/07/03/paper-fundamental-understanding-piezoelectric-strain-sensors/
74
منابع
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/
75
منابع تصاویر
با تشکر از توجه شما
76