پیزوالکتریک (Piezoelectric Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
پیزوالکتریک (Piezoelectric Sensor) :
سنسور پیزوالکتریک بر اساس اثر پیزوالکتریک مستقیم کار می کند: در برخی بلورها (مانند کوارتز، تورمالین، سرامیک های PZT) و پلیمرها (PVDF)، اعمال تنش مکانیکی (فشار، نیرو، شتاب) باعث ایجاد بار الکتریکی (و در نتیجه ولتاژ) در دو طرف ماده می شود. این اثر برگشت پذیر است: اعمال میدان الکتریکی باعث تغییر شکل ماده می شود (اثر معکوس). بنابراین این سنسورها می توانند هم به عنوان حسگر و هم به عنوان محرک (actuator) عمل کنند.
معادله پایه پیزوالکتریک (حالت مستقیم) به صورت
\[ D = dT \](برای یک بعد) است که
\[ D \]چگالی بار الکتریکی،
\[ d \]ضریب پیزوالکتریک (کولن بر نیوتن)، و
\[ T \]تنش مکانیکی (نیرو بر سطح) است. برای یک المان با سطح A، بار کل
\[ Q = d F \](با فرض یکنواختی) است که F نیروی اعمالی است. بنابراین سنسور پیزوالکتریک مستقیما نیرو را به بار الکتریکی تبدیل می کند.
\[ Q = d \cdot F \quad , \quad V = \frac{Q}{C} \]از آنجا که بار الکتریکی تولید شده ممکن است به مرور زمان از طریق مقاومت داخلی سنسور و مدار ورودی نشت کند، سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه گیری نیروها و فشارهای استاتیک (ثابت) مناسب نیستند. آنها عمدتا برای اندازه گیری کمیت های دینامیک و متغیر با زمان (مانند ارتعاشات، ضربات، شتاب های متناوب) استفاده می شوند. امپدانس خروجی این سنسورها بسیار بالاست، بنابراین نیاز به مدارهای تطبیق امپدانس با ترانزیستورهای اثر میدان (FET) یا تقویت کننده های شارژ (charge amplifier) دارند.
کاربردهای مهم: شتاب سنج های پیزوالکتریک (اندازه گیری لرزش ماشین آلات)، میکروفون های پیزوالکتریک (تماسی)، سنسورهای ضربه (knock sensor در موتور خودرو)، اولتراسونیک (هم به عنوان فرستنده و هم گیرنده امواج فراصوت)، سنسورهای فشار دینامیک (مانند اندازه گیری فشار انفجار در سلاح ها)، و سنسورهای نیروی دینامیک.
مواد پیزوالکتریک: کوارتز طبیعی (دارای پایداری بالا و اتلاف کم، مناسب برای حسگرهای مرجع)، سرامیک های PZT (تیتانات-زیرکونات سرب، با حساسیت بالا و قیمت کم، پرمصرف ترین)، پلیمر PVDF (انعطاف پذیر، مناسب برای سنسورهای لامسه و هیدروفون). انتخاب ماده به کاربرد و شرایط محیطی (دما، رطوبت) بستگی دارد.
مزایا: پهنای باند وسیع (از کسری از هرتز تا مگاهرتز)، دامنه دینامیکی بالا، استحکام، خودتوان دهنده (self-generating) بودن (نیاز به منبع تغذیه خارجی ندارند). معایب: عدم پاسخ به نیروی استاتیک، حساسیت به دما (پیروالکتریک بودن هم زمان برخی مواد)، نیاز به الکترونیک خاص. شتاب سنج های پیزوالکتریک رایج ترین ابزار برای آنالیز مودال و پایش وضعیت ماشین آلات (Condition Monitoring) هستند.
در تحلیل مدار، یک سنسور پیزوالکتریک به صورت یک منبع بار موازی با یک خازن (خود سنسور) و یک مقاومت بسیار بزرگ مدل می شود. فرکانس تشدید مکانیکی سنسور پهنای باند قابل استفاده را تعیین می کند.
