شتاب سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometer)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
شتاب سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometer) :
شتاب سنج پیزوالکتریک یکی از پرکاربردترین سنسورها برای اندازه گیری ارتعاشات و شوک (ضربه) است. این سنسورها بر اساس اثر پیزوالکتریک مستقیم کار می کنند: هنگامی که یک ماده پیزوالکتریک (مانند کوارتز، تیتانات زیرکونات سرب - PZT) تحت تنش مکانیکی قرار می گیرد، بار الکتریکی در سطح آن تولید می کند. در یک شتاب سنج پیزوالکتریک، یک جرم (seismic mass) به یک المان پیزوالکتریک متصل است. با اعمال شتاب، نیرویی متناسب با شتاب (
\[ F=ma \]) به المان پیزوالکتریک وارد می شود و در نتیجه بار الکتریکی متناسب با شتاب تولید می کند.
ساختارهای مختلفی برای این شتاب سنج ها وجود دارد: نوع فشاری (compression) که جرم روی المان پیزو فشار می آورد، نوع خمشی (bending) که المان پیزو مانند تیرک خم می شود، و نوع برشی (shear) که المان پیزو تحت تنش برشی قرار می گیرد. نوع برشی محبوب ترین است زیرا اثرات کرنش پایه (base strain) و حساسیت به دما را به حداقل می رساند.
از آنجا که بار تولید شده بسیار کوچک است و امپدانس خروجی سنسور بسیار بالاست، سیگنال باید توسط یک تقویت کننده بار (charge amplifier) یا یک مدار تطبیق امپدانس (مانند یک تقویت کننده با ترانزیستور FET که در خود سنسور تعبیه شده است) تقویت شود. سنسورهایی که تقویت کننده داخلی دارند (و با ولتاژ تغذیه می شوند) به نام IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric) یا ICP شناخته می شوند و رایج ترین نوع در صنعت هستند. آنها با جریان ثابت (معمولا ۲-۲۰ میلی آمپر) تغذیه می شوند و سیگنال ولتاژ متناسب با ارتعاش را روی همان سیم تغذیه ارسال می کنند.
\[ Q = d_{ij} \times F = d_{ij} \times m \times a \quad \Rightarrow \quad V_{out} = \frac{Q}{C} \propto a \]که
\[ d_{ij} \]ضریب پیزوالکتریک ماده است.
مزایا: پهنای باند بسیار وسیع (از کسری از هرتز تا بیش از ۱۰ کیلوهرتز)، محدوده دینامیکی بالا (امکان اندازه گیری ارتعاشات بسیار ریز تا شوک های شدید)، استحکام و دوام بالا، و عدم نیاز به منبع تغذیه (در نوع بدون الکترونیک). معایب: عدم پاسخ به شتاب ثابت (DC) - مناسب برای ارتعاشات، حساسیت به دما (تا حدودی)، و نیاز به الکترونیک خاص (تقویت کننده بار یا منبع جریان).
کاربردها: آنالیز مودال و پایش وضعیت ماشین آلات (condition monitoring) در توربین ها، پمپ ها، کمپرسورها، تست ارتعاشات خودرو و هوافضا، اندازه گیری شوک در تست های تصادف، و لرزه نگاری (ژئوفون ها). شتاب سنج های پیزوالکتریک استاندارد طلایی برای اندازه گیری ارتعاشات هستند.
