خرداد
سنسور پیزوالکتریک چیست – ساخت، کارکرد و کاربردها
فهرست محتوا
- اثر پیزوالکتریک
- سنسور پیزوالکتریک
- کارکرد سنسور پیزوالکتریک
- مدار سنسور پیزوالکتریک
- کاربرد سنسورهای پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک
پیزو کلمه‌ای یونانی به معنای «فشار» یا «فشردن»است. پیزوالکتریسیته (که همچنین به آن اثر پیزوالکتریک نیز گفته‌می‌شود) یعنی حضور پتانسیل الکتریکی در دو سر یک کریستال، وقتی که با فشردن آن، یک فشار مکانیکی به آن وارد‌می‌شود. در سیستم واقعی، کریستال مانند یک باتری کوچک عمل‌می‌کند، و در یک سمت دارای بار مثبت و در سمت دیگر دارای بار منفی‌است. برای کامل شدن مدار، دو طرف به هم وصل‌شده و جریان از آن عبور‌می‌کند.
اثر پیزوالکتریک
مثال‌ها
تحلیلگر فشار مکانیکی: به هنگام ساختِ ساختمان‌ها، تحلیلگر فشار برای ستون‌ها استفاده‌می‌شود، که در آن ولتاژ تولیدی توسط فشار اندازه‌گیری‌شده و فشار مربوطه محاسبه‌می‌شود.
فندک: فندک با سوخت گاز، و فندک‌های سیگار از اثر پیزوالکتریک استفاده‌می‌کنند. به دلیل نیروی اعمالی توسط ماشه بر روی ماده‌ی داخلی، یک پالس الکتریکی تولید‌می‌شود.
اثر پیزوالکتریک معکوس
این اثر قابل معکوس‌سازی‌است. هرگاه یک میدان الکتریکی بر روی ترمینال‌های کریستال اعمال‌می‌شود، فشار مکانیکی احساس کرده و شکل‌آن تغییر‌می‌کند. به این حالت اثر پیزوالکتریک معکوس گفته‌می‌شود.
مثال:
ساعت کوارتز: در مصارف روزمره، ساعت مچی از رزوناتور کوارتز به عنوان نوسان ساز استفاده‌می‌کند. عنصر استفاده‌شده در اینجا دی‌اکسید سیلیکون‌است. وقتی سیگنال الکتریکی به دو سر کریستال اعمال‌می‌شود، کریستال شروع به لرزش می‌کند، که کمک‌می‌کند دنده‌های داخل ساعت به صورت پریودیک تنظیم شوند.
زنگ‌های پیزو: در بسیاری از کاربردها، مانند نشانگر دنده‌ی عقب خودرو، کامپیوترها و غیره، از زنگ استفاده‌می‌شود. مقدار مشخصی ولتاژ با دامنه و فرکانس مشخص به کریستال اعمال‌می‌شود، و باعث‌می‌شود کریستال بلرزد. این ویبراسیون به صدا تبدیل‌می‌شود.
سنسور پیزوالکتریک چیست؟
وقتی سنسوری بر اساس اصول پیزوالکتریسیته کار می‌کند، به آن سنسور پیزوالکتریک گفته‌می‌شود. پیزوالکتریسیته پدیده‌ای است که در آن اگر فشار مکانیکی به ماده اعمال شود، برق تولید می‌شود. سنسوری که از اثر پیزوالکتریک استفاده‌می‌کند، و تغییرات شتاب، کشش، فشار و نیرو را با تبدیل آن به بار الکتریکی اندازه‌گیری‌می‌کند، سنسور پیزوالکتریک نامیده می‌شود. این پیزوالکتریسیته‌ی تولیدی با فشار وارد‌شده به زیرلایه‌ای از کریستال پیزوالکتریک قدرتمند تناسب دارد.
کارکرد سنسور پیزوالکتریک
وقتی فشار یا شتاب به ماده‌ی PZT اعمال می‌شود، مقدار معادلی از بار الکتریکی در دو سر کریستال تولید‌می‌شود. بار الکتریکی با فشار اعمالی نسبت خواهد داشت. سنسور پیزوالکتریک را نمی‌توان برای اندازه‌گیریِ فشار ثابت استفاده‌کرد. در فشار ثابت، سیگنال خروجی صفر خواهد بود. کارکرد سنسور پیزوالکتریک را می‌توان به این صورت خلاصه کرد:
1. در کریستال پیزوالکتریک، تغییرات دقیقاً به صورت آرایش نامتقارن متوازن هستند.
2. اثر بارها با همدیگر حذف‌شده و بنابراین، هیچ باری در دو سمت کریستال دیده نمی‌شود.
3. وقتی کریستال فشرده‌می‌شود، تغییرات در کریستال نامتوازن‌می‌شود.
4. بنابراین، اثر بارها دیگر باهم حذف نشده و بار مثبت یا منفی خالص بر روی سمت مخالف کریستال پدیدار‌می‌شود.
5. بنابراین، با فشرده کردن کریستال، ولتاژ در دو سر سمت مخالف ایجاد می‌شود که به آن پیزوالکتریسیته گفته‌می‌شود.
گام‌های تولید پیزوالکتریسیته
مدار سنسور پیزوالکتریک
مدار سنسور پیزوالکتریک در ادامه نشان داده‌شده‌است. این مدار از مقاومت داخلیِ Ri که به آن مقاومت عایق نیز گفته‌می‌شود تشکیل شده‌است. سلف به دلیل جبر سنسور اندوکتانس تولید‌می‌کند. مقدار خازن Ce به صورت معکوس با انعطاف‌پذیری مواد سنسور رابطه دارد. برای به دست آوردن پاسخ کامل سنسور، بار و مقاومت نشتی باید به اندازه‌ی کافی بزرگ بوده و فرکانس پایین حفظ شود.
کاربردهای سنسورهای پیزوالکتریک
سنسورهای فشار پیزومقاومتی
این سنسورها برای اندازه‌گیریِ فشار دینامیک استفاده‌می‌شوند. اندازه‌گیری فشار دینامیک شامل توربولانس، احتراق موتور و غیره‌می‌شود. تغییرات فشار در مایع‌ها و گازها در اندازه‌گیریِ فشار سیلندر، و فرآیند هیدرولیک را می‌توان با استفاده از اعمال نیرو به دیافراگم پیزوالکتریک اندازه‌گیری کرد؛ با اعمال نیرو، در دو سر کریستال بار الکتریکی تولید‌می‌شود. خروجی به صورت ولتاژ اندازه‌گیری‌می‌شود که با فشار اعمالی تناسب دارد.
سنسور فشار پیزوالکتریک
فرستنده و گیرنده‌ی فراصوت با کریستال‌های پیزوالکتریک
سنسورهای فراصوت، موج‌های فراصوت تولید می‌کنند. وقتی فرستنده و گیرنده در یک دست قرار گرفته است، جایگاه آن تغییر کرده و موج فراصوت از بخش‌های بدنی که باید تحلیل و تجسم شوند عبور می‌کند. موج‌های صوتی از بافت بدن ارسال می‌شوند. موج‌ها منعکس شده و تصویری از بافت ایجاد می‌شود. این اصول کار یک سیستم تصویر‌برداری فراصوت است. در اینجا، کریستال‌های پیزوالکتریک به قسمت جلویی فرستنده/گیرنده متصل است، که کمک می‌کند موج‌های فراصوت تولید شوند. الکترودهایی نیز به عنوان گره اتصال بین کریستال‌ها و ماشین وجود دارد. وقتی سیگنال الکتریکی به کریستال اعمال می‌شود، به دلیل ویبراسیون، موج فراصوتی با فرکانس‌های بین 1.5 و 8 مگاهرتز تولید‌می‌کند.
در کاربردهای صنعتی، سنسور پیزوالکتریک در سنسورهای ضربه‌ی موتور، سنسورهای فشار، تجهیزات زیردریایی و غیره استفاده می‌شود.
محرک‌های پیزوالکتریک در انژکتورهای سوخت دیزل، تنظیم نوری، پاکسازی فراصوت و جوشکاری استفاده می‌شوند.
سنسور در دستگاه‌های الکتریکی مانند پرینتر ماتریس نقطه‌ای، پرینتر لیزری، اسپیکر پیزو، زنگ، رطوبت‌سازها و غیره استفاده‌می‌شود.
در دستگاه‌های موسیقی، مانند پیک‌آپ‌ها و میکروفن‌ها
لینک مرتبط:
سنسور چیست؟ انواع سنسورها و کاربردهای آن‌ها
لینک زبان اصلی مقاله:
What is Piezoelectric Sensor – Construction, Working & Applications