مقدمه ای بر عملکرد مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

مبدل های 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 وقتی دی الکتریک های خاصی به دلیل قطبش بارهای داخلی دچار تغییر شکل (از جمله تغییر شکل خمشی و کششی) می شوند، هنگامی که توسط نیروهای خارجی در جهت خاصی تغییر شکل می دهند، بارهایی روی سطح خود ایجاد می کنند. مواد پیزوالکتریک را می توان به مواد پیزوالکتریک تک کریستالی، پیزوالکتریک پلی کریستالی و پیزوالکتریک آلی تقسیم کرد. متداول ترین مبدل پیزوالکتریکی که استفاده می شود انواع مختلفی از آنها است لوله سرامیک پیزوالکتریک متعلق به پلی کریستال های پیزوالکتریک و کریستال های کوارتز در تک کریستال های پیزوالکتریک. سایر تک کریستال های پیزوالکتریک شامل لیتیوم نیوبات، لیتیوم تانتالات، لیتیوم گالات و بیسموت ژرمنات مناسب برای محیط های پرتوهای با دمای بالا هستند.

مقدمه ای برای ویژگی های سنسورهای سرامیکی پیزوالکتریک

سرامیک های پیزوالکتریک شامل سرامیک های تیتانات باریم متعلق به سیستم دوتایی، سرامیک های سری زیرکونات تیتانات سرب، سرامیک های سری نیوبات و سرامیک های سرب نیوبات منیزیم متعلق به سیستم سه تایی هستند. مزیت های نیمکره های پیزوالکتریک سفارشی شلیک راحت، شکل دهی آسان، مقاومت در برابر رطوبت و مقاومت در برابر دمای بالا هستند. نقطه ضعف آن این است که دارای pyroelectricity است که در اندازه گیری کمیت های مکانیکی اختلال ایجاد می کند. مواد پیزوالکتریک شامل بیش از ده نوع ماده پلیمری مانند پلی وینیلیدین فلوراید، پلی وینیل فلوراید و نایلون می باشد. مواد پیزوالکتریک را می توان به صورت انبوه تولید کرد و در مناطق بزرگتر ساخت. این دارای مزایای منحصر به فرد در تطبیق مقاومت صوتی هوا است و نوع جدیدی از مواد الکتروآکوستیک با پتانسیل توسعه زیاد است. از دهه 1960، کریستال هایی با خواص نیمه هادی و پیزوالکتریک، مانند سولفید روی، اکسید روی و سولفید کلسیم، کشف شده اند. استفاده از مواد PZT می تواند به نوع جدیدی از حسگر پیزوالکتریک تبدیل شود که اجزای حساس و مدارهای الکترونیکی را ادغام می کند، که بسیار امیدوارکننده است.

کاربرد سنسور پیزوالکتریک: سنسور سرامیک پیزوالکتریک دارای ساختار ساده، اندازه کوچک، جرم کوچک، مصرف انرژی کم، عمر طولانی است، به خصوص دارای ویژگی های دینامیکی خوبی است، بنابراین برای باند وسیعی از نیروی دوره ای و تغییر نیروی ضربه با سرعت بالا مناسب است.

اندازه گیری دینامیکی سنسور سرامیکی پیزوالکتریک

سنسورهای پیزوالکتریک را فقط می توان برای اندازه گیری دینامیکی استفاده کرد

از آنجایی که بار تولید شده توسط نیروی خارجی وارد بر عنصر پیزوالکتریک فقط می تواند بدون نشتی ذخیره شود، یعنی اندازه گیری باید دارای امپدانس ورودی نامحدود باشد که عملا غیرممکن است، بنابراین سنسور پیزوالکتریک را نمی توان برای اندازه گیری استاتیک استفاده کرد.

تحت عمل نیروی متناوب، عنصر پیزوالکتریک می تواند به طور مداوم شارژ را تامین کند و می تواند جریان خاصی را به مدار اندازه گیری برساند، بنابراین فقط برای اندازه گیری دینامیکی مناسب است (به طور کلی باید بالاتر از 100 هرتز باشد، اما بالای 50 کیلوهرتز، حساسیت کاهش می یابد).

اندازه گیری سنسور سرامیکی پیزوالکتریک:

(1) اندازه گیری نیرو سنسورهای پیزوالکتریک عمدتاً از اثرات پیزوالکتریک طولی و برشی استفاده می کنند. کریستال‌های کوارتز دیسک سرامیکی پیزو ، زیرا کریستال‌های کوارتز دارای سفتی بزرگ، پسماند کم، حساسیت بالا، خطی بودن خوب، فرکانس کاری گسترده و پیرالکتریکی پایین هستند. سنسور نیرو علاوه بر اندازه گیری نیروی یک طرفه، می تواند از کریستال های متعدد با جهت برش های مختلف برای اندازه گیری نیروی چند جهته بسته به اثرات پیزوالکتریک مختلف آن، مانند نیروی مؤلفه سه جهته نیروی فضایی Fx، Fy، Fz استفاده کند.

(2) اندازه‌گیری فشار: سنسورهای فشار پیزوالکتریک عمدتاً از عناصر الاستیک (دیافراگم، پیستون و غیره) برای جمع‌آوری فشار و تبدیل شدن به نیرویی بر کریستال استفاده می‌کنند، زیرا خواص مواد PZT مورد استفاده در عنصر الاستیک تأثیر زیادی بر ویژگی‌های سنسور دارد.

(3) اندازه‌گیری شتاب: سنسور شتاب پیزوالکتریک از جرمی استفاده می‌کند تا با نیروی پیش‌بارگذاری بر روی کریستال فشار داده شود. هنگامی که شتاب اندازه گیری عمل می کند، کریستال پیزو تحت یک نیروی اینرسی قرار می گیرد که یک اثر پیزوالکتریک ایجاد می کند. بنابراین، کیفیت جرم تعیین کننده حساسیت سنسور است و همچنین بر پاسخ فرکانس بالای سنسور تأثیر می گذارد.