آرشیو برچسب: فشارسنج پیزوالکتریک

فشارسنج پیزوالکتریک چیست؟

فشارسنج پیزوالکتریک وسیله ای است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه گیری فشار، شتاب، کرنش یا نیرو استفاده می کند. هنگامی که فشار، نیرو یا شتاب به مواد پیزوالکتریک مانند کریستال کوارتز، سرامیک PZT، تورمالین، فسفات گالیم و سولفات لیتیوم اعمال می شود، یک بار الکتریکی در سراسر کریستال ایجاد می شود که متناسب با نیروی اعمال شده است .هنگامی که به یک کریستال فشار وارد می شود، به طور الاستیک تغییر شکل می دهد. این تغییر شکل منجر به جریان بار الکتریکی می شود (که برای مدت چند ثانیه طول می کشد). سیگنال الکتریکی حاصل را می توان به عنوان نشانه ای از فشار اعمال شده به کریستال اندازه گیری کرد.

اصل کار فشارسنج پیزوالکتریک

همانطور که گفته شد اساس کار ماده پیزوالکتریک به این صورت است که هنگامی که بر ماده پیزوالکتریک نیرویی وارد می شود، بار الکتریکی در سطح کریستال ایجاد می شود. این را می توان به عنوان یک ولتاژ متناسب با فشار اندازه گیری کرد

همچنین یک اثر پیزوالکتریک معکوس وجود دارد که در آن اعمال ولتاژ به ماده باعث تغییر شکل آن می شود.

یک نیروی استاتیک معین منجر به بار متناظر در سراسر سنسور می شود. با این حال، به مرور زمان به دلیل عایق ناقص، مقاومت سنسور داخلی، قطعات الکترونیکی متصل و غیره نشت می کند.

عملکرد فشارسنج پیزوالکتریک

برخلاف مبدل های پیزومقاومتی و خازنی، عناصر حسگر پیزوالکتریک به هیچ منبع ولتاژ یا جریان خارجی نیاز ندارند. آنها یک سیگنال خروجی را مستقیماً از کرنش اعمال شده، تولید می کنند.

خروجی از عنصر پیزوالکتریک یک بار متناسب با فشار است. تشخیص این امر نیازمند تقویت کننده شارژ برای تبدیل سیگنال به ولتاژ است.

برخی از سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک شامل تقویت کننده شارژ داخلی برای ساده سازی رابط الکتریکی با ارائه یک خروجی ولتاژ هستند. این نیاز به برق برای سنسور دارد.

تقویت کننده داخلی استفاده از سنسور را ساده تر می کند. به عنوان مثال، استفاده از کابل های سیگنال بلند را برای اتصال به سنسور ممکن می کند. تقویت کننده همچنین می تواند شامل مدارهای تهویه سیگنال برای فیلتر کردن خروجی، تنظیم دما و جبران تغییر حساسیت عنصر حسگر باشد.

با این حال، وجود قطعات الکترونیکی دمای کار را به بیش از 120 درجه سانتیگراد محدود می کند.

برای محیط های با دمای بالاتر، می توان از سنسور حالت شارژ استفاده کرد. این شارژ تولید شده را مستقیماً به عنوان سیگنال خروجی فراهم می کند. بنابراین برای تبدیل آن به ولتاژ به یک تقویت کننده شارژ خارجی نیاز دارد.

در طراحی و اجرای قطعات الکترونیکی خارجی دقت لازم است. خروجی امپدانس بالای سنسور به این معنی است که مدار به نویز ناشی از اتصالات ضعیف، حرکت کابل، تداخل الکترومغناطیسی و RF حساس است.

پاسخ فرکانس پایین سنسور توسط زمان تخلیه تقویت کننده تعیین می شود.

ساختار فشارسنج پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک به موادی با عدم تقارن خاص در ساختار کریستالی نیاز دارد. این شامل برخی از کریستال های طبیعی مانند کوارتز یا تورمالین است.

علاوه بر این، سرامیک های فرموله شده ویژه را می توان با قطبش مناسب ایجاد کرد تا آنها را پیزوالکتریک کند. این سرامیک ها نسبت به کریستال های طبیعی حساسیت بیشتری دارند. یک خروجی مفید را می توان با تغییر شکل 0.1٪ تولید کرد.

از آنجایی که مواد پیزوالکتریک سفت و سخت هستند، برای بدست آوردن سیگنال خروجی قابل استفاده، فقط یک انحراف بسیار کوچک از مواد مورد نیاز است. این باعث می شود که سنسورها در برابر شرایط فشار بیش از حد قوی و مقاوم باشند. همچنین به این معنی است که آنها به سرعت به تغییرات فشار واکنش نشان می دهند.

سنسور فشارسنج پیزوالکتریک می تواند تحت تأثیر هر نیروی خارجی وارد بر عنصر پیزوالکتریک باشد، به عنوان مثال، توسط نیروهای ناشی از شتاب یا نویز.

میکروسنسورها را می توان با استفاده از لایه های نازک ساخت. اکسید روی یکی از اولین مواد مورد استفاده بود. به دلیل اثر پیزوالکتریک بزرگتر، سرامیک های ساخته شده از موادی مانند سرب زیرکونات تیتانات (PZT) تا حد زیادی جایگزین آن شده است.

سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) را می توان با ترکیب لایه های نازک پیزوالکتریک با غشاهای سیلیکونی میکروماشین شده ایجاد کرد.

مواد پیزوالکتریک همچنین در برخی دیگر از سنسورهای MEMS استفاده می شود. به عنوان مثال، اثر پیزوالکتریک معکوس برای تولید امواج صوتی سطحی از طریق یک دیافراگم استفاده می شود. سپس اعوجاج سطح تحت فشار را می توان با تغییراتی که در امواج دریافتی توسط عنصر پیزوالکتریک دیگری ایجاد می کند، تشخیص داد.

طراحی فشارسنج پیزوالکتریک

سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک اغلب در یک لوله رزوه‌دار ساخته می‌شوند تا نصب آن‌ها در تجهیزاتی که فشار در آن‌ها نظارت می‌شود، آسان شود. هنگام نصب اینها دقت لازم است زیرا سفت شدن بیش از حد می تواند بر حساسیت خروجی تأثیر بگذارد.

در برخی از کاربردهای معمول سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک ، ممکن است در معرض شوک حرارتی (تغییر ناگهانی دما) ناشی از گرمای تابشی یا جریان گازها یا مایعات داغ از کنار سنسور قرار گیرند.

این می تواند باعث تغییر در خروجی به دلیل گرم شدن کریستال، دیافراگم یا پوشش سنسور شود. توجه داشته باشید که این با حساسیت دمای استاتیک سنسور یکسان نیست.

اثرات شوک حرارتی را می توان با طراحی محفظه و نصب سنسور برای ایجاد ایزوله به حداقل رساند.

حساسیت فشارسنج پیزوالکتریک

خروجی در محدوده وسیعی خطی است، معمولاً با 0.7 KPa – 70 MPa (0.1 – 10000 psi) با دقت حدود 1٪.)

حسگرهای سرامیکی با گذشت زمان در معرض از دست دادن حساسیت هستند. اما این معمولاً بسیار کوچک است. معمولا کمتر از 1% در سال.

همچنین ممکن است هنگامی که برای اولین بار در معرض فشار و دمای بالا قرار می گیرید، حساسیت کمی از دست برود. با چرخاندن سنسور در حداکثر فشار و دمای مورد انتظار قبل از استقرار می توان از اثرات این امر جلوگیری کرد.

پاسخ فرکانسی یک سنسور پیزوالکتریک در فرکانس های پایین کاهش می یابد زیرا بار تولید شده نمی تواند حفظ شود.

در فرکانس های بالا یک پیک مربوط به فرکانس تشدید عنصر پیزوالکتریک وجود دارد. سنسور معمولاً در ناحیه مسطح منحنی پاسخ بین این دو حد استفاده می شود (به زیر مراجعه کنید).

کاربردهای فشارسنج پیزوالکتریک

استحکام، فرکانس بالا و زمان پاسخ سریع سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک به این معنی است که می توان از آنها در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی و هوا فضا استفاده کرد، جایی که در معرض دما و فشار بالا قرار می گیرند.

آنها اغلب برای اندازه گیری فشار دینامیکی، به عنوان مثال در تلاطم، انفجار، و احتراق موتور استفاده می شوند. همه اینها به پاسخ سریع، استحکام و طیف وسیعی از عملیات نیاز دارند.

حساسیت و مصرف کم انرژی آنها نیز آنها را برای برخی از کاربردهای پزشکی مفید می کند. به عنوان مثال، یک حسگر پلاستیکی لایه نازک را می توان به پوست متصل کرد و برای نظارت بر زمان واقعی نبض شریانی استفاده کرد.

مزایا و معایب فشارسنج پیزوالکتریک

یکی از مزایای اصلی سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک، محکم بودن آنهاست. این باعث می شود آنها برای استفاده در انواع محیط های سخت مناسب باشند.

جدا از وسایل الکترونیکی مرتبط، سنسورهای پیزوالکتریک را می توان در دماهای بالا مورد استفاده قرار داد. برخی از مواد تا 1000 درجه سانتیگراد کار می کنند. حساسیت ممکن است با دما تغییر کند اما با انتخاب مناسب مواد می توان این حساسیت را به حداقل رساند.

سیگنال خروجی توسط خود عنصر پیزوالکتریک تولید می شود، بنابراین آنها ذاتاً دستگاه های کم مصرف هستند.

خود عنصر حسگر به تداخل و تشعشعات الکترومغناطیسی حساس نیست. تقویت کننده شارژ و سایر لوازم الکترونیکی باید با دقت طراحی و تا حد امکان نزدیک به سنسور قرار گیرند تا نویز و سایر خطاهای سیگنال کاهش یابد.

سنسورهای پیزوالکتریک را می توان به راحتی با استفاده از مواد ارزان قیمت (به عنوان مثال کوارتز یا تورمالین) ساخت، بنابراین آنها می توانند راه حلی کم هزینه برای اندازه گیری فشار صنعتی ارائه دهند