پیزوالکتریک

سنسور پیزوالکتریک دستگاهی است که با استفاده از اثر فیزوالکتریک برای اندازه گیری فشار، شتاب، فشار یا نیروی با تبدیل آنها به یک بار الکتریکی است.

پیزوالکتریک

سنسورهای پیزو الکتریک  ابزار همه کاره برای اندازه گیری فرایندهای مختلف هستند. آنها برای تضمین کیفیت، کنترل فرایند و برای تحقیق و توسعه در بسیاری از صنایع مختلف استفاده می شوند. اگر چه اثر پیزو الکتریک توسط پیر کوری در سال 1880 کشف شد، فقط در 1950 بود که اثر پیزوالکتریک برای سنجش برنامه های کاربردی صنعتی مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان به بعد، از این اصل اندازه گیری  به طور فزاینده ای استفاده می شود و می تواند به عنوان یک تکنولوژی بالا با قابلیت اطمینان فوق العاده ذاتی در نظر گرفته شود.  در برنامه های کاربردی مختلف، از جمله در پزشکی، هوا فضا، ابزار دقیق هسته ای، و به عنوان یک سنسور فشار در پد لمسی در تلفن های همراه استفاده می شود. در صنعت خودرو، عناصر پیزوالکتریک مورد استفاده قرار می گیرند ؛برای نظارت بر احتراق در موتورهای احتراق داخلی.

ظهور تکنولوژی پیزوالکتریک به طور مستقیم مربوط به مجموعه ای از مزایای ذاتی است. مدول الاستیسیته از بسیاری از مواد فیزوالکتریک است که قابل مقایسه با بسیاری از فلزات است  . سنسورهای پیزو الکتریک سیستم های الکترومکانیکی هستند که به فشرده سازی واکنش نشان می دهند، . به همین دلیل سنسورهای پیزو الکتریک  ، فرکانس طبیعی بسیار بالا دارندو عالی خطی بیش از یک دامنه گسترده است. علاوه بر این، فن آوری های پیزوالکتریک  قادر به اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی و پرتو ، تحت شرایط سخت هستند. برخی از مواد استفاده می شود (به خصوص گالیم فسفات [2] یا کهربای اصل) پایداری افراطی حتی در دمای بالا، قادر می سازد سنسورها به طیف کارگر تا 1000 درجه سانتی گراد کهربای اصل ایجاد قطب الکتریکی در بلورها بوسیله تغییر حرارت در علاوه بر این به اثر پیزوالکتریک را نشان می دهد، این است که توانایی تولید سیگنال الکتریکی هنگامی که درجه حرارت از تغییرات کریستال. این اثر معمول به مواد piezoceramic است.
پیزوالکتریک
اصل حساسیت کرنش [V / μ *] آستانه [μ *] نسبت دهانه به آستانه

پیزوالکتریک 5.0 0.00001 100،000،000

Piezoresistive 0.0001 0.0001 2،500،000

قیاسی 0.001 0.0005 2،000،000

خازنی 0.005 0.0001 750،000

[1]

یکی از مضرات سنسورهای پیزو الکتریک است که آنها می توانند برای اندازه گیری های واقعا شخص نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد. نیروی استاتیک در یک مقدار ثابت از اتهامات عنوان شده علیه مواد فیزوالکتریک می شود. در حالی که کار با الکترونیک معمولی بازخوانی، مواد عایق ناقص، و کاهش در مقاومت سنسور داخلی را در از دست دادن ثابت از الکترون ها، و عملکرد کاهش دهنده سیگنال قرار دارند. دمای بالا باعث کاهش اضافی در مقاومت داخلی و حساسیت است. اثر اصلی در اثر پیزو الکتریک است که با افزایش بار فشار و درجه حرارت، حساسیت به علت دوقلو شکل گیری کاهش می یابد. در حالی که سنسورهای کوارتز باید در طول اندازه گیری در دمای بالاتر از 300 سرد ° C، نوع خاصی از کریستال مثل GaPO4 گالیم فسفات هر شکل دوقلو تا به نقطه ذوب خود از مواد را نشان نمی دهد.

با این حال، آن است که درست نیست که سنسورهای پیزو الکتریک تنها می تواند برای فرایندهای بسیار سریع و یا در شرایط محیط استفاده می شود. در واقع، برنامه های کاربردی متعدد است که اندازه گیری های شبه استاتیک نشان می دهد وجود دارد، در حالی که برنامه های کاربردی دیگر با درجه حرارت بالاتر از 500 درجه سانتی گراد وجود دارد

سنسورهای پیزو الکتریک نیز می تواند برای تعیین عطری در هوا را از طریق اندازه گیری رزونانس و خازن به طور همزمان مورد استفاده قرار گیرد. الکترونیک کامپیوتر کنترل بسیار افزایش طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه برای سنسورهای پیزو الکتریک است. [2]

سنسورهای پیزو الکتریک نیز در طبیعت دیده می شود. کلاژن در استخوان فیزوالکتریک است و توسط برخی از فکر به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل کند. [3] [4]
پیزوالکتریک
اصل عمل

بسته در مورد چگونگی یک ماده پیزوالکتریک قطع، سه سبک اصلی از عملیات را می توان برجسته: عرضی، طولی و برشی [5]

اثر عرضی

نیرویی است در امتداد یک محور خنثی (Y) به خط از زور اعمال و اتهامات در امتداد جهت (X)، عمود است. میزان شارژ بستگی به ابعاد هندسی از این عنصر پیزوالکتریک مربوطه است. وقتی ابعاد A، B، C، اعمال می شود،

C_x = D_ {XY} F_y B / ~،

که در آن بعد در خط با محور خنثی است، b در خط به اتهام تولید محور و d ضریب پیزو الکتریک متناظر است. [3]

اثر طولی

مقدار هزینه تولید به شدت متناسب با نیروی اعمال شده است و مستقل از شکل و اندازه از عنصر پیزوالکتریک. با استفاده از چند عنصر که مکانیکی در سری و الکتریکی به صورت موازی تنها راه به افزایش خروجی مسئول است. اتهام به دست آمده است

C_x = D_ {XX} F_x N ~،

که در آن D_ {XX} ضریب فیزوالکتریک برای یک اتهام در جهت x منتشر شده توسط نیروهای اعمال شده در امتداد جهت x (در کامپیوتر / N) است. F_x نیروی اعمال شده در جهت x [N] و n مربوط به تعداد عناصر انباشته شده است.

نیروی اعمال شده و بعد عنصر.

خواص الکتریکی

نماد و شماتیک مدل الکترونیکی از یک سنسور پیزوالکتریک

مبدل فیزوالکتریک امپدانس خروجی DC بسیار بالا است و می تواند به عنوان یک منبع ولتاژ متناسب و شبکه فیلتر مدل. V ولتاژ در منبع به طور مستقیم متناسب با نیروی اعمال شده، فشار، یا فشار. [6] سیگنال خروجی است و سپس به این نیروی مکانیکی به عنوان اگر آن را از طریق مدار معادل را گذرانده بودند.

پاسخ فرکانسی یک سنسور پیزوالکتریک، ولتاژ خروجی، انتظار: کاهش از نیروی کاربردی

یک مدل دقیق شامل اثرات ساخت و ساز مکانیکی سنسور و دیگر غیر idealities، است. [7] LM اندوکتانس علت به توده لرزه و اینرسی خود سنسور است. CE معکوس متناسب با کشش مکانیکی سنسور است. C0 نشان دهنده ظرفیت خازنی ثابت مبدل، ناشی از جرم اینرسی از اندازه بی نهایت است. [7] ری عایق مقاومت در برابر نشت عنصر مبدل است. اگر سنسور به یک مقاومت بار متصل شود، این هم به صورت موازی با مقاومت عایق عمل می کند، هر دو افزایش فرکانس قطع بالا گذر.

در منطقه تخت، سنسور می تواند به عنوان یک منبع ولتاژ سری با خازن سنسور یا یک منبع مسئول در موازی با خازن مدل

برای استفاده به عنوان یک حسگر، منطقه مسطح از طرح پاسخ فرکانسی است که به طور معمول، بین قطع بالا گذر و اوج رزونانس استفاده می شود. بار و مقاومت در برابر نشت باید به اندازه کافی بزرگ که فرکانس های پایین از منافع از دست داده است. مدل مدار معادل ساده شده را می توان در این منطقه استفاده می شود، که در آن حسابهای نشان دهنده خازن از سطح حسگر خود، تعیین شده توسط فرمول استاندارد برای خازن از صفحات موازی است. [7] [8] همچنین می تواند به عنوان یک منبع شارژ مدل سازی شود به صورت موازی با خازن منبع، با پرداخت هزینه به طور مستقیم متناسب با نیروی اعمال شده، همانطور که در بالا است. [6]

طراحی سنسور

دیسک فلزی با مواد پیزو، مورد استفاده در buzzers و یا به عنوان میکروفن تماس

بر اساس فن آوری پیزو الکتریک مقادیر مختلف فیزیکی را می توان اندازه گیری، شایع ترین فشار و شتاب. برای سنسورهای فشار، یک غشاء نازک و یک پایگاه عظیم استفاده می شود، اطمینان حاصل کرد که فشار اعمال شده به طور خاص بارهای عناصر در یک جهت. برای شتاب سنج، جرم لرزه ای به عناصر کریستال متصل شده است. هنگامی که شتاب سنج با توجه به قانون دوم حرکت نیوتن از تجربه یک حرکت، بار ناوردا (نامتغیر) و توده زمین لرزه عناصر F = M.

تفاوت اصلی در اصل کار بین این دو مورد، نیروهای به عناصر سنجش اعمال است. در یک سنسور فشار غشای نازک استفاده می شود برای انتقال نیرو به عناصر، در حالی که در شتاب نیروها توسط یک جرم لرزه ای متصل شده به کار گرفته می شود.

سنسور اغلب تمایل دارند که به بیش از یک کمیت فیزیکی حساس است. سنسورهای فشار دهنده سیگنال قرار دارند کاذب نشان می دهد زمانی که آنها در معرض ارتعاشات. بنابراین سنسورهای فشار پیشرفته در علاوه به فشار سنجش عناصر با استفاده از عناصر جبران شتاب. با دقت مطابق این عناصر، سیگنال شتاب منتشر کرد (از عنصر جبران خسارت) از سیگنال ترکیبی از فشار و شتاب به استخراج اطلاعات فشار واقعی کم است.

سنسور لرزش نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای برداشت انرژی در غیر این صورت تلف از ارتعاشات مکانیکی. این است که با استفاده از مواد فیزوالکتریک برای تبدیل فشار مکانیکی به انرژی الکتریکی قابل استفاده انجام می شود. [9]

مواد سنجش

سرامیک و مواد پیزو الکتریک تک بلور: دو گروه اصلی از مواد برای سنسورهای پیزو الکتریک استفاده می شود. مواد سرامیکی (مانند سرامیک PZT) پیزوالکتریک ثابت / حساسیت است که تقریبا دو سفارشات از قدر بالاتر از کسانی که از مواد طبیعی تک بلور است و می تواند توسط فرآیندهای پخت ارزان قیمت تولید. piezoeffect در piezoceramics است “آموزش داده”، بنابراین متاسفانه حساسیت بالای خود را در طول زمان تنزل. تخریب است که به شدت با دما ارتباط دارد. مواد تک بلور کمتر حساس “طبیعی” (گالیم فسفات، کوارتز، کهربای اصل) بسیار بالاتر – هنگامی که به دقت به کار گرفته، تقریبا بی نهایت – ثبات بلند مدت است. مواد بلوری آهنگ جدید تجاری در دسترس به عنوان سرب تیتانات منیزیم سرب Niobate به (PMN-PT) نیز وجود دارد. این مواد ارائه حساسیت تا حد زیادی بهبود یافته است (در مقایسه با PZT) اما از حداکثر دمای کمتری رنج می برند و در حال حاضر بسیار گران تر ساخت.

این متن بصورت حرفه ای ترجمه نشده است؛جهت دیدن مطلب به زبان اصلی به وبسایت ویکیپدیا مراجعه نمایید.

!آیا این مطلب مفید بود؟ به اشتراک بگذارید