باسلام دراین مقاله در وبسایت دیاکو قصد داریم به توضیح نظارت بر توضیح سنسور پیزوالکتریک بپردازیم.

سنسور پیزوالکتریک چیست؟

سنسور پیزوالکتریک سنسوری بر اساس اثر پیزوالکتریک است. این یک حسگر تبدیل الکترومکانیکی و خود مولد است. توضیحی ساده از مبدل های پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک.

                                                 پنج شکل اصلی تغییر شکل نیرو در اجزای حساس پیزوالکتریک

 

مواد پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک را می توان به مواد پیزوالکتریک تک کریستال پیزوالکتریک پلی کریستالی و پیزوالکتریک آلی تقسیم کرد. رایج ترین سنسورهای پیزوالکتریک مورد استفاده انواع سرامیک های پیزوالکتریک و کریستال های کوارتز در تک کریستال های پیزوالکتریک هستند. سایر تک بلورهای پیزوالکتریک عبارتند از لیتیوم نیوبات، لیتیوم تانتالات لیتیوم گالات و بیسموت ژرمنات مناسب برای محیط های پرتوهای با دمای بالا. 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.

از مزایای سرامیک های پیزوالکتریک می توان به پخت راحت، شکل دهی آسان مقاومت در برابر رطوبت و مقاومت در برابر دمای بالا اشاره کرد. نقطه ضعف آن این است که دارای pyroelectricity است که در اندازه گیری کمیت های مکانیکی اختلال ایجاد می کند. مواد پیزوالکتریک آلی شامل بیش از ده نوع مواد پلیمری مانند پلی وینیلیدین فلوراید پلی وینیل فلوراید و نایلون می باشد.

مواد پیزوالکتریک آلی را می توان به صورت انبوه تولید کرد و در مناطق بزرگ تری 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 1960کریستال هایی با خواص نیمه هادی و پیزوالکتریک مانند سولفید روی، اکسید روی و سولفید کلسیم کشف شده اند.

استفاده از این ماده می تواند به نوع جدیدی از حسگر پیزوالکتریک تبدیل شود که اجزای حساس و مدارهای الکترونیکی را ادغام می کند که بسیار امیدوارکننده است. سنسور پیزوالکتریک را می توان تقریباً به چهار نوع تقسیم کرد که عبارتند از: لودسل پیزوالکتریک، سنسور فشار پیزوالکتریک  سنسور شتاب پیزوالکتریک و سنسور فشار پلیمری.

اثر پیزوالکتریک مثبت

برخی از مواد زمانی که با اعمال نیرو در جهت خاصی تغییر شکل می‌دهند، بارهای الکتریکی در سطح خاصی تولید می‌کنند. هنگامی که نیروی خارجی حذف شود، به حالت بدون بار طبیعی باز می گردد. این پدیده را اثر پیزوالکتریک مثبت می نامند.

اثر پیزوالکتریک معکوس

اگر میدان الکتریکی در جهت قطبش این مواد اعمال شود، این مواد تغییر شکل مکانیکی یا تنش مکانیکی در جهت خاصی ایجاد می کنند. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی حذف شود، این تغییر شکل ها یا تنش ها از بین خواهند رفت. این پدیده اثر پیزوالکتریک معکوس یا اثر الکترواستریکیو نامیده می شود.

انواع اصلی سنسور پیزوالکتریک

1. سنسور فشار 

2. سنسور شتاب 

 

ساختار سنسور فشار یک طرفه پیزوالکتریک

 

                                                          نمودار ساختاری سنسور شتاب پیزوالکتریک فشرده سازی

هنگام اندازه گیری، پایه حسگر و قطعه آزمایش به طور صلب با هم ثابت می شوند. هنگامی که سنسور ارتعاش را احساس می کند، جرم همان ارتعاش پایه سنسور را احساس می کند و تحت نیروی اینرسی قرار می گیرد که مخالف جهت شتاب است.

چرا؟ از آنجایی که سفتی فنر بسیار زیاد و جرم نسبتاً کم است، می توان اینرسی جرم را کم دانست. به این ترتیب جرم دارای نیروی متناوب متناسب با شتاب وارد بر ورق پیزوالکتریک است. به دلیل اثر پیزوالکتریک ورق پیزوالکتریک، بارهای متناوب (ولتاژ) روی دو سطح آن ایجاد می شود. هنگامی که فرکانس ارتعاش بسیار کمتر از فرکانس طبیعی سنسور است، بار خروجی (ولتاژ) سنسور متناسب با نیرو است که متناسب با شتاب قطعه آزمایش است. توان خروجی از خروجی سنسور گرفته می شود و پس از ورود به پیش تقویت کننده، شتاب قطعه تست را می توان با یک ابزار اندازه گیری معمولی اندازه گیری کرد. اگر یک مدار یکپارچه مناسب به تقویت کننده اضافه شود، می توان شتاب یا جابجایی ارتعاش قطعه آزمایش را اندازه گیری کرد.

Ⅴ کاربرد سنسور پیزوالکتریک

1. برای کاهش لرزش و سر و صدا استفاده می شود

تحقیقات کاربردی ساختار هوشمند پیزوالکتریک در کنترل ارتعاش زودتر انجام شد و نتایج تحقیق نیز غنی بود که عمدتاً بر کنترل ارتعاش سازه‌های انعطاف‌پذیر هوافضا بزرگ متمرکز بود. معمولاً سه روش برای طراحی سیستم های کنترل وجود دارد که عبارتند از: کنترل فعال کنترل غیرفعال و کنترل ترکیبی فعال-غیرفعال. سیستم کنترل غیرفعال از نظر ساختار ساده، پیاده سازی آسان و کم هزینه است، اما فاقد انعطاف پذیری در کنترل است و سازگاری ضعیفی با تغییرات محیطی ناگهانی دارد. در مقایسه با کنترل غیرفعال کنترل فعال از تئوری کنترل مدرن به عنوان ابزار اصلی استفاده می کند و دارای انعطاف پذیری بیشتر و سازگاری قوی با محیط است.

در حال حاضر یک کانون تحقیقاتی در مهندسی ارتعاش است. ترکیب کنترل غیرفعال و کنترل فعال برای تشکیل یک استراتژی کنترل ترکیبی، جهت نوظهور مهندسی ارتعاش فعلی است. یکی دیگر از جهت های کاربردی مهم سازه های هوشمند پیزوالکتریک، کنترل نویز فعال است. عمدتاً برای کنترل صدای داخلی فضاهای بسته سه بعدی مانند زیردریایی ها، هواپیماها و وسایل نقلیه استفاده می شود. تفاوت با کنترل فعال لرزش پانل دیواری این است که کنترل ارتعاش برای کنترل حالت پانل است، در حالی که کنترل نویز عمدتاً برای کنترل بخشی است که شدت صدا را تولید می کند.

2. برای کنترل تغییر شکل استاتیکی ساختاری استفاده می شود

با کنترل تغییر شکل سازه هوشمند پیزوالکتریک می توان شکل هندسی سازه را تنظیم کرد و شکل و موقعیت دقیق سازه را حفظ کرد. این ارزش کاربردی در کنترل ایستگاه های فضایی و سایر وسایل نقلیه فضایی و ماشین آلات انعطاف پذیر دارد. به عنوان مثال، در یک وسیله نقلیه فضایی، تغییر شکل ساختار دقیق را می توان کنترل کرد تا از عملکرد عادی ابزارهای دقیق مانند بازتابنده های آنتن فضایی و تلسکوپ ها اطمینان حاصل شود. در یک ربات، حرکت دستکاری انعطاف پذیر را می توان توسط عناصر پیزوالکتریک کنترل کرد تا دقت حرکت دستکاری را بهبود بخشد.

3. برای نظارت بر آسیب ساختاری استفاده می شود

دو روش اصلی برای اعمال عناصر حسگر پیزوالکتریک در پایش آسیب ساختاری وجود دارد. یکی استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک برای درک دقیق تغییرات در خواص مکانیکی سازه و پیش‌بینی آسیب سازه از طریق محاسبه و تحلیل بیشتر است. راه دیگر پیش بینی آسیب با تجزیه و تحلیل امواج ارتعاشی منتشر شده در سازه است. این دو روش می توانند اطلاعات قابل اعتمادی را برای ارزیابی ایمنی سازه و محل آسیب ارائه دهند و از این طریق روش جدیدی را برای تشخیص سلامت بلندمدت و بلادرنگ سازه های مهندسی عمران ارائه کنند.

4. برای نظارت بر فناوری پردازش استفاده می شود

 حسگرهای نیروی پیزوالکتریک، تنش، ارتعاش و انتشار آکوستیک به دلیل مزایای منحصربه‌فردشان به گزینه‌ای ایده‌آل برای نظارت بر وضعیت در تولید کنترل خودکار مدرن تبدیل شده‌اند. برای سنگ زنی، حفاری و ضربه زدن، یک نیروی چند جزئی کوارتز جدید و حسگر گشتاور با استفاده از آخرین فناوری تله متری طراحی شده است. این نوع جدید دینامومتر برش دوار را می توان مستقیماً بین شفت و ابزار نصب کرد تا مستقیماً نیروی برش ابزار چرخشی را اندازه گیری کند که برای تجزیه و تحلیل و برنامه ریزی فرآیند تولید و تعیین بهترین پارامترهای برش مورد استفاده در تولید واقعی از اهمیت بالایی برخوردار است. .

انتشار آکوستیک در فرآیند پردازش فلز رخ می دهد که حاوی اطلاعات زیادی است و مهم ترین ارزش آن ارائه دستورالعمل های قابل اعتماد برای عیوب و خرابی های اولیه قطعات است. یک حسگر ابتکاری دو منظوره، حسگر انتشار صوتی و لودسل سه جزیی را در یک حسگر ترکیب می کند. با نصب این سنسور دو منظوره در موقعیت مناسب دستگاه تراش، می‌توانیم به طور مداوم نیروی برش، نیروی تغذیه و سیگنال‌های انتشار صوتی مربوطه را کنترل کنیم.