سنسور نیروی پیزوالکتریک (Piezoelectric Force Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور نیروی پیزوالکتریک (Piezoelectric Force Sensor) :
سنسور نیروی پیزوالکتریک بر اساس اثر پیزوالکتریک مستقیم کار می کند: هنگامی که یک نیرو به یک ماده پیزوالکتریک (مانند کوارتز، PZT یا PVDF) اعمال می شود، بار الکتریکی در سطح آن تولید می شود. مقدار بار تولید شده (
\[ Q \]) با نیروی اعمالی (
\[ F \]) متناسب است:
\[ Q = d \times F \]، که
\[ d \]ضریب پیزوالکتریک ماده (کولن بر نیوتن) است. این سنسورها برای اندازه گیری نیروهای دینامیک (متغیر با زمان) مانند ارتعاشات، ضربات و نیروهای ضربه ای ایده آل هستند، زیرا بار تولید شده در اثر نیروی ثابت به مرور زمان (به دلیل مقاومت داخلی سنسور و مدار) تخلیه می شود.
ساختار یک سنسور نیروی پیزوالکتریک معمولا شامل یک کریستال پیزوالکتریک (یا چند کریستال) است که بین دو صفحه فلزی (الکترود) قرار گرفته است. این مجموعه در یک محفظه فلزی محکم محصور می شود. هنگام اعمال نیرو، کریستال فشرده شده و بار تولید می کند. امپدانس خروجی سنسور بسیار بالاست، بنابراین سیگنال بار باید توسط یک تقویت کننده بار (charge amplifier) به ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل شود. تقویت کننده بار در فاصله بسیار نزدیک به سنسور (یا درون آن) نصب می شود تا اثر ظرفیت خازنی کابل را کاهش دهد. سنسورهای با الکترونیک داخلی (IEPE/ICP) با جریان ثابت تغذیه شده و ولتاژ خروجی متناسب با نیرو را روی همان سیم ارائه می دهند.
مزایا:
پهنای باند بسیار وسیع (از کسری از هرتز تا بیش از ۱۰۰ کیلوهرتز).
محدوده دینامیکی بالا (امکان اندازه گیری نیروهای بسیار کوچک تا بسیار بزرگ).
استحکام و دوام بالا (بدون قطعات متحرک).
اندازه کوچک (مخصوصا نوع لایه نازک).
معایب:
عدم توانایی در اندازه گیری نیروی استاتیک (ثابت).
حساسیت به دما (دارای ضریب دمایی).
نیاز به الکترونیک خاص (تقویت کننده بار یا منبع جریان).
\[ Q = d_{ij} F \quad , \quad V_{out} = \frac{Q}{C_f} \]که
\[ C_f \]خازن فیدبک در تقویت کننده بار است.
کاربردها:
اندازه گیری نیروهای دینامیک: مانند نیروهای وارد بر ابزار برش در ماشینکاری، نیروهای ضربه در تست های تصادف، و نیروهای ارتعاشی.
پایش وضعیت ماشین آلات: اندازه گیری نیروهای ناشی از نابالانسی یا خرابی بلبرینگ ها.
تست مواد: اندازه گیری نیرو در تست های خستگی و ضربه.
بیومکانیک: اندازه گیری نیروهای راه رفتن (صفحات نیرو).
صنایع هوافضا و خودرو: تست آیرودینامیک و تصادف.
