عضویت در خبرنامه

جهت اطلاع از آخرین اخبار ، محصولات و مقالات لطفا ایمیل خود را وارد کنید.

tarfand tarfand
سنسورهای پیزوالکتریک
Piezoelectric sensor

خاصیت پیزوالکتریک یک خاصیت دو طرفه می‌باشد به این معنا که با اعمال میدان الکتریکی به ماده‌ی پیزوالکتریک، باعث تغییر شکل ساختار ماده و در نتیجه تولید حرکت می‌گردد، همچنین بالعکس با اعمال نیرو روی آن، باعث ایجاد ولتاژ می‌گردد. لذا از این خاصیت مواد پیزوالکتریک در ساخت عملگرها و سنسورها استفاده می‌شود.

سنسورهای پیزوالکتریک، سیستم‌های الکترومکانیکی هستند که به تنش واکنش نشان می‌دهند. اینگونه سنسورها نیروهای اعمالی و کرنش‌های مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. سپس این سیگنال بوسیله‌ی یک مدار الکترونیکی تقویت شده و آماده‌ی نمایش می‌گردد.

سنسورهای پیزوالکتریک برای محاسبه‌ی فشار دینامیکی، نیرو، کرنش، شتاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سنسورهای پیزوالکتریک در کاربردهای متنوعی مانند پزشکی، هوافضا، تجهیزات هسته‌ای، تیلت سنسورها در الکترونیک، سنسورهای فشاری در صفحات لمسی موبایل، صنایع اتومبیل، همچنین از المان‌های پیزوالکتریک در احتراق (موتورهای احتراق داخلی) استفاده می‌شود. این سنسورها به طور مستقیم به سوراخ‌های اضافی به سرسیلندر متصل می‌شوند و یا پلاگین جرقه که با سنسور پیزوالکتریک مینیاتور ساخته شده است.

سنسورهای پیزوالکتریک دارای فرکانس طبیعی بسیار بالایی می‌باشند و در بازه‌ی دامنه‌ی وسیعی خطی است. همچنین تکنولوژی پیزوالکتریک به میدان الکترومغناطیسی و تابش حساس نیستند و در شرایط سخت قادر به اندازه‌گیری می‌باشند. موادی که در ساخت اینگونه سنسورها استفاده می‌شود، در دماهای بالا بسیار پایدار هستند بنابراین قادرند در دماهای بالا تا 1000 درجه سانتیگراد فعالیت کنند.

سنسورهای پیزوالکتریک از نوع سنسورهای خودتحریک هستند و برای کار به هیچ منبع تغذیه‌ای احتیاج ندارند.

 جدول زیر مقایسه سنسورهای پیزو با سایر سنسور ها می باشد. 

Principle Strain Sensivity . V/µε  .Threshold µε  Span to threshold ratio
Piezoelectric 5.0 0.00001 100,000,000
Piezoresistive 0.0001 0.0001 2,500,000
Inductive 0.001 0.0005 2,000,000
Capacitive 0.005 0.0001 750,000
Resistive 0.000005 0.01 50,000

مزایای سنسورهای پیزوالکتریک

  • خود تحریک[1] (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 ي فركانسی وسيع و با قابليت اندازه گيری فركانسهای بالا
  • قابليت دسترسی به مدلهای مختلف جهت استفاده های مختلف
  • تغییر حساسیت با تغییر دما
  • سنجش پارامترهای دینامیک و عدم سنجش پارامترهای استاتیک

 

سنسور پیزو

دسته بندی سنسورهای پیزوالکتریک

اجسام پیزو الکترونیک که سنسورهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته اول که بیشتر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد اجسام تک بلوره[2] هستند مانند کوارتز[3] علی‌رغم اینکه این مواد دارای طول عمر زیادی هستند یعنی مدت زمان زیادی حساس باقی می‌مانند و خاصیت پیزویی خود را حفظ می‌کنند اما حساسیت کمی نسبت به نوع دوم (سرامیک ها) دارند. سرامیک‌ها علاوه بر اینکه حساسیت بیشتری دارند ارزان تر نیز هستند.

برای تولید مواد پیزو الکترونیکی سرامیکی از موادی از قبیل: باریم تیتانیوم (سرب زیرکونیم و سرب تیتانیوم و سرب متانیوتیت) و…  استفاده می‌شود. ایراد مواد سرامیکی این است که از آن جاییکه حساسیت آن‌ها در گذر زمان کاهش می‌یابد لذا طول عمر سنسورهایی مجهز به مواد سرامیکی کوتاه‌تر از سنسورهای دارای مواد تک بلوره می‌باشد.

از آنجا که در سنسورهای پیزو الکترونیک سیگنال الکتریکی تولید شده دارای ولتاژ بسیار پایین می‌باشد 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 می‌کردند. مشکل این روش این است که نویز بسیار زیادی در سیستم به وجود می آید و هم چنین پیاده سازی این روش محدودیت‌های محیطی و فیزیکی بسیاری را نیز به وجود می آورد. امروزه آی سی‌هایی برای تقویت و تبدیل امپدانس وجود دارند که به صورت تجاری تولید شده و داخل خود سنسور نصب می گردند.

 کاربرد حسگرهای پیزوالکتریک

سنسورهای پیزوالکتریک امروزه بطور وسیعی در صنایع به کاربرده میشوند. این سنسورها تقریبا در هر کاربرد ممکنی که نیاز به اندازه گیری دقیق و یا ثبت تغییرات دینامیکی در متغیرهای مکانیکی مانند : فشار، نیرو و شتاب باشد، به کار میروند .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. تشخيص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترين نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال ميکروفن‌هاي پيزوالکتريک و يا گيرنده‌هاي پيزوالکتريک در گیتارها. ماشین های لباسشویی، از سه سنسور پیزوالکتریکی برای کنترل میزان بار و میزان سطح آب و کنترل چرخش استفاده می شود. همه این را نمونه کوچکی از کاربردهای رایج سنسورهای پیزو الکتریک می باشد.

برخی از کاربردهای رایج سنسور های پیزوالکتریک به این شرح است:

  • هوا و فضا

تست کیفیت ، ابزار آلات تونل باد ، وسایل فرود هیدرولیکی ، موشک ها ، سیستم های خروج و پرتاب اضطراری و تحقیقات قطع نیرو.

  • بالستیک

 احتراق و سوخت ، انفجار ، انفجارات ضربه ای و امواج صوتی پخش شده ناشی از انفجار.

  • بیومکانیک

اندازه گیری نیروهای چندگانه در مباحث استخوان شناسی ، ورزش ها ، آرگونومیک، عصب شناسی ، دانش قلب و عروق و توانبخشی.

  • تست موتورها

احتراق ، مبادله و تزریق گاز ، نمودارهای مشخصه و فشارهای دینامیک .

  • مهندسی

سنجش مواد ، سیستم های کنترل ، راکتورها ، ساخت ساختمانها ، ساختمان کشتی ها ، تست بدنه اتومبیل ها و تست پاسخ دینامیکی.

  • صنعت و کارخانجات

سیستمهای ماشینی، برش فلزات ، پرس و گردش نیرو ، تنظیم خودکار نیرو ، نمایش سلامت ماشین ها.

 

[1] Self-generating

[2] Single-Crystal

[3]  Quartz

 

گرداوری: تیم ترفند

برچسب ها: سنسور پیزو - پیزوالکتریک - شتاب سنج پیزو - انواع سنسور پیزو