اصول اولیه سنسورهای سرامیکی پیزوالکتریک

سنسورهای سرامیکی پیزوالکتریک سنسورهای اولتراسونیک هستند که با استفاده از اثر پیزوالکتریک تولید شده توسط دی الکتریک های خاص ساخته می شوند. به اصطلاح اثر پیزوالکتریک به پدیده ای اشاره دارد که دی الکتریک های خاص به دلیل قطبش بارهای داخلی هنگامی که توسط نیروهای خارجی در جهت خاصی تغییر شکل می دهند، دچار تغییر شکل (از جمله تغییر شکل خمشی و کششی) می شوند. مواد پیزوالکتریک را می توان به مواد پیزوالکتریک تک کریستال، پیزوالکتریک پلی کریستال و مواد پیزوالکتریک آلی تقسیم کرد.

متداول ترین مبدل سرامیک پیزوالکتریک انواع مختلفی از سرامیک های پیزوالکتریک متعلق به پلی کریستال های پیزوالکتریک و کریستال های کوارتز در تک کریستال های پیزوالکتریک است. سایر تک کریستال های پیزوالکتریک شامل لیتیوم نیوبات، لیتیوم تانتالات، لیتیوم گالات و بیسموت ژرمنات مناسب برای محیط های پرتوهای با دمای بالا هستند.

اصل کار از سنسور سرامیک پیزوالکتریک عمدتاً بر اساس اثر پیزوالکتریک است. این دستگاه از قطعات الکتریکی و سایر ماشین آلات برای تبدیل فشار مورد اندازه گیری به الکتریسیته استفاده می کند و سپس ابزارهای دقیق اندازه گیری مانند بسیاری از فرستنده های فشار و سنسورهای فشار را انجام می دهد. سنسورهای سرامیکی پیزوالکتریک را نمی توان در اندازه گیری استاتیک استفاده کرد، زیرا بار پس از قرار گرفتن در معرض نیروی خارجی می تواند زمانی که مدار دارای مقاومت ورودی نامحدود است حفظ شود.

واقعی سنسورهای آکوستیک پیزو فقط در اندازه گیری های دینامیکی قابل استفاده هستند. مواد اصلی پیزوالکتریک آن دی هیدروژن فسفات، سدیم پتاسیم تارتارات و کوارتز است. اثر پیزوالکتریک روی کوارتز یافت می شود. هنگامی که تنش تغییر می کند، میدان الکتریکی بسیار کمی تغییر می کند و برخی از کریستال های پیزوالکتریک دیگر جایگزین کوارتز می شوند. تارتارات سدیم پتاسیم، دارای ضریب پیزوالکتریک و حساسیت پیزوالکتریک زیادی است، اما فقط در محیط های بسته که رطوبت و دما نسبتاً پایین است می توان از آن استفاده کرد.

دی هیدروژن فسفات یک کریستال مصنوعی است، می توان از آن در محیط های با رطوبت و دمای بالا استفاده کرد، بنابراین کاربرد آن بسیار گسترده است. با توسعه فناوری، اثر پیزوالکتریک برای پلی کریستال ها نیز اعمال شده است. به عنوان مثال: سرامیک های پیزوالکتریک، سرامیک های پیزوالکتریک اسید منیزیم نیوبات، سرامیک های پیزوالکتریک سری نیوبات و سرامیک های پیزوالکتریک تیتانات باریم همگی شامل می شوند. سنسور اثر پیزوالکتریک از نوع تبدیل الکترومکانیکی و سنسور نوع خود تولیدی است. اجزای حساس آن از مواد پیزوالکتریک ساخته شده است. هنگامی که مواد پیزوالکتریک مبدل‌های سیلندر پیزوالکتریک تحت نیروی خارجی قرار می‌گیرند، بارهایی روی سطح آن تشکیل می‌شوند. بارها از تقویت کننده شارژ، تقویت مدار اندازه گیری و تبدیل امپدانس عبور می کنند. به توان خروجی متناسب با نیروی خارجی دریافتی تبدیل می شود.