مقدمه :
، سنسوری است که بر اساس اثر پیزوالکتریک عمل(Piezoelectric Sensor)حسگر پیزوالکتریک
، توانایی برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به(Piezoelectric Effect)می کند. (اثر پیزوالکتریک
انرژی الکتریکی و بالعکس می باشد که در دهۀ 1880 میلادی توسط برادران کوری کشف شد.)
پیزوالکتریک، پدیده ای است که در صورت اعمال تنش مکانیکی به ماده، برق تولید می گردد.
از این حسگر ها برای اندازه گیری تغییرات فشار، شتاب، دما، کشش، و نیرو با تبدیل آن ها به بار
الکتریکی استفاده می شود.
توجه شود که پیشوند پیزو در زبان یونانی به معنای “فشار” بوده، و واژه پیزوالکتریک به طور کلی به
معنای فشار الکتریکی می باشد.
در حقیقت، مبدل هایی از نوع پیزوالکتریک از قبیل “شتاب سنج” و “مبدل فشار” وجود دارند که به
کاربرد داشته که منجر به تولید(CDM)ترتیب در اندازه گیری نوسان توربین و نظارت بر دینامیک احتراق یک خروجی با امپدانس بالا می شوند که باید پیش از انتقال از طریق کابل کشی سیستم و ابزار اندازه گیری (High Impedance Output) تنظیم و تقویت شوند.
(CDM : Combusion Dynamics Monitoring : نظارت بر دینامیک احتراق (حریق، آتش سوزی)
عملکرد :
در حسگر های پیزوالکتریک کریستالی وجود دارد که در عملکرد این حسگر مؤثر است.
با اعمال فشار یا شتاب به این حسگر، مقدار تعادلی از بار الکتریکی در دو سر کریستال ایجاد می گردد که
بار الکتریکی تولید شده با فشار اعمالی، نسبت خواهد داشت.
در فشار ثابت، سیگنال خروجی صفر خواهد شد؛ بنابراین برای اندازه گیری فشار ثابت از حسگر های
پیزوالکتریک نمی توان استفاده کرد.
شکل (1) : عملکرد سنسور پیزوالکتریک
1.2 : در حسگر های پیزوالکتریک، تغییرات دقیقا به صورت آرایش نامتقارن، متوازن هستند؛ بنابراین در این حالت، اثر بار ها همدیگر را خنثی کرده و هیچ باری در دو سمت کریستال مشاهده نمی شود.
3.4 : از طرفی با فشرده شدن کریستال، تغییرات در کریستال نامتوازن شده و اثر بار ها یکدیگر را خنثی نمی کنند و در نتیجه بار مثبت یا منفی خالص در سمت متضاد کریستال پدیدار می شود؛ پس با فشرده کردن کریستال، ولتاژ در دو سر سمت مخالف آن ایجاد می گردد.
کاربرد :
در دهۀ 1880 میلادی اثر پیزوالکتریک توسط پیر کوری کشف شد و از سال 1950 در کاربرد های سنجش صنعتی از آن استفاده گردید.
، فیزیک دان فرانسوی و از پیشگامان بلورشناسی، مغناطیس و رادیواکتیویته(Pierre Curie)(پیر کوری
بود. (1906-1859))
از کاربرد های مربوط به حسگر های پیزوالکتریک می توان در زمینه های پزشکی، هوا فضا، ابزار هسته ای،
الکترونیک، و خودرو اشاره کرد.
کاربرد در الکترونیک : حسگر شیب در لوازم الکترونیکی مصرفی یا حسگر فشار در لنت های لمسی گوشی
(CDM)کاربرد در خودرو : نظارت بر احتراق هنگام توسعۀ موتور های احتراق داخلی
مزیت :
*استحکام بسیار بالا (انحراف اندازه گیری معمولا در حدود میکرومتر است.)
*فرکانس طبیعی بالا (تا بیش از 500 کیلوهرتز)
*محدودۀ اندازه گیری بسیار گسترده (نسبت آستانۀ اندازه گیری تا بالای 10 به توان 8)
*قابلیت تکثیر بسیار بالا
*خطیت بالای وابستگی خروجی به مؤلفۀ مورد اندازه گیری
*محدودۀ دمای عملیاتی گسترده
*عدم حساسیت به میدان الکتریکی و مغناطیسی و تشعشعی
شکل (2) : تصویر یک حسگر پیزوالکتریک
چالش و مشکل :
*به طور ذاتی قابلیت اندازه گیری در حالت ایستا در طول یک دورۀ زمانی طولانی را ندارد.
*علت آن است که هیچ ماده ای با مقاومت عایقی نامحدود و لوله های خلاء یا نیمه رسانای کاملا
مستقل از جریان های نشتی وجود ندارد.
از طرفی می دانیم که حسگر های پیزوالکتریک در بسیاری از شتاب سنج ها و حسگر های فشار بدلیل
حساسیت بالا، استحکام، و پایداری در دما های بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
خروجی شارژ یکی از این مبدل ها معمولا قبل از انتقال از طریق کابل و به رایج ترین و متداول ترین
تبدیل(Low Impedance) تجهیزات جمع آوری و اندازه گیری داده ها، به یک ولتاژ امپدانس پایین
می شود.
انجام(Current Amplifier)این تبدیل توسط دستگاهی به نام تقویت کنندۀ بار یا مبدل شارژ
می شود. با این حال، همۀ تقویت کننده های شارژ به طور یکسان ایجاد نمی شوند.
مواد :
از سه گروه مواد برای سنسور های پیزوالکتریک استفاده می شود :
- PZTسرامیک پیزوالکتریک : دارای ثابت پیزوالکتریک (دو برابر ثابت مواد تک بلوری) : مانند سرامیک
مخرب آن دما می باشد : با افزایش دما، این گروه مواد تخریب خواهند شد.
- تک بلوری : حساسیت کمتر و طبیعی؛ ثبات طولانی مدت و در صورت دقت زیاد، تقریبا نامحدود
(PMN-PT)مانند : فسفات گالیم، کوارتز، تورمالین، سرب منیزیم نیوبات-تیتانات سرب
، اما حداکثر دمای کار پایین تر، پیچیدگی بیشتر در ساختPZTحساسیت بهتر نسبت به سرامیک
- پیزوالکتریک فیلم نازک : مورد استفاده در فرکانس بالا (بیشتر از 100 مگاهرتز)
حال قصد داریم مداری را بررسی کنیم که ولتاژ خروجی متناسب با بار تولید شده توسط مبدل
پیزوالکتریک تولید می کند.
یک مدار معادل برای مبدل های پیزوالکتریک شامل مداری دارای یک منبع جریان، یک خازن و
یک مقاومت موازی می باشد. بار تولید شده توسط مواد پیزوالکتریک با گذشت زمان کاهش پیدا
می کند.
شکل (3) : مدار معادل سنسور پیزوالکتریک
تقویت کنندگی :
بار تولیدی توسط یک مادۀ پیزوالکتریک در پاسخ به تنش مکانیکی بسیار کم است.
مقادیر عادی برای ضریب پیزوالکتریک (ثابت پیزوالکتریک)، ده ها یا صد ها پیکوکولن در هر
()نیوتن است.
یک نیوتن مقدار نیروی قابل توجهی است. از طرفی صد پیکوکولن بار ناچیزی است.
بنابراین نیاز به تقویت کننده ای است که بتواند شارژ (بار) حسگر را به سیگنال قابل استفاده
تبدیل کند.
بحث دیگر، رابطۀ ریاضیاتی بین ولتاژ خروجی تقویت کننده و تغییر فیزیکی نیرو، فشار یا شتاب است.
- این نکته حائز اهمیت است که نیروی اعمال شده به مادۀ پیزوالکتریک متناسب با بار است؛ نه جریان.
اگر جریان سنسور را به ولتاژ تبدیل کنیم، سیگنال نهایی متناسب با نرخ تغییر نیروی اعمال شده به جای
خود نیروی اعمالی خواهد بود.
شاید این پرسش در ذهن شما مطرح شود که پس چرا نمی توان به سادگی از تقویت کنندۀ ولتاژ استفاده
کرد؟ در پاسخ باید گفت که می توان؛ اما در بسیاری از موارد این راه حل ترجیحی نبوده و مشکل در
(Cable Capacitance) حقیقت از ظرفیت کابل است.
تقویت کنندۀ بار برای سنسور های پیزوالکتریک :
تقویت کنندۀ بار (شارژ)، یک انتگرال با امپدانس ورودی بالا است.
عملکرد یکپارچه، بار را به ولتاژ تبدیل می کند و امپدانس ورودی بالا تضمین می کند که مقدار بار کم
(Leakage, Integral Operation)تولید شده بوسیلۀ مبدل پیزوالکتریک از طریق نشت از بین نمی رود.
شکل (4) : مدار یک تقویت کنندۀ شارژ (بار)
تبدیل بار به ولتاژ :
شکل فوق، شبیه به یک تقویت کنندۀ ترانس امپدانس است؛ ولی به جای مقاومت در مسیر فیدبک
(بازخورد)، می بایست از یک خازن استفاده کرد. (تقویت کنندۀ ترانس امپدانس (جفت ترانسفورماتور)،
به عنوان تقویت کننده کوپل عمل کرده، دارای امپدانس ورودی بالا، امپدانس خروجی پایین، بهرۀ ولتاژ
می باشد. زمانی که(Effective Charge)بالا تر، راندمان بیشتر، و افزایش مقاومت در برابر بار مؤثر
بار کم وجود دارد، قابل استفاده بوده و عمدتا برای تقویت توان از این نوع تقویت کننده مورد استفاده
قرار می گیرد.)
تقویت کنندۀ ترانس امپدانس، جریان ورودی را پذیرفته و آن را بوسیلۀ مقاومت موجود در مسیر فیدبک
ضرب می کند که نه تنها دامنه را افزایش می دهد؛ بلکه تبدیل کنندۀ جریان به ولتاژ می باشد.
تقویت کنندۀ بار نیز کاری مشابه تقویت کنندۀ ترانس امپدانس انجام می دهد؛ اما استفاده از ظرفیت
خازن به جای مقاومت در مسیر فیدبک یک خروجی ایجاد می کند که نه با جریان لحظه ای، بلکه با
تجمع جریان در طول زمان متناسب است.
به بیان دیگر، خروجی چیزی به ما در مورد انتگرال جریان (با توجه به زمان) می گوید؛ نه مقدار جریان در
لحظۀ معین.
شکل (5) : تقویت کنندۀ بار حسگر پیزو
رابطۀ ولتاژ خروجی تقویت کنندۀ بار به قرار زیر است :
با توجه به رابطۀ فوق توجه به نکات زیر حائز اهمیت است :
ضرب شده است که در تضاد با بهرۀ تقویت کنندۀ ترانس امپدانس است که برابر با*جریان ورودی در
است.مقاومت فیدبک
*بهره فقط به ظرفیت فیدبک بستگی دارد. ظرفیت کابل یا ظرفیت داخلی سنسور بر بهره اثری
نمی گذارند.
*اگر جریان سنسور به سمت ترمینال ورودی معکوس کنندۀ آپ امپ (تقویت کنندۀ عملیاتی) جاری
شود، تقویت کنندۀ بار، یک ولتاژ منفی تولید می کند؛ چرا که تنها مسیر برای جریان سنسور در اطراف
آپ امپ و از طریق مسیر فیدبک است و برای جریانی که از ترمینال معکوس کننده (که ولتاژ آن صفر
می باشد) به ترمینال خروجی جاری می شود، ولتاژ خروجی باید منفی باشد.
*وجود زمین مجازی در ترمینال معکوس کننده بیان می کند که چرا مدار تحت تاثیر ظرفیت کابل یا
ظرفیت سنسور قرار نمی گیرد. هر دو ظرفیت موازی با منبع جریان هستند که به این معناست که
آن ها در یک سو زمین و در سمت دیگذ زمین مجازی دارند؛ بنابراین هیچ جریانی از آن ها عبور نکرده و
تاثیری در عملکرد مدار نخواهند گذاشت.
هنگامی که حسگر های پیزوالکتریک تحت فشار هستند، باری متناسب با نیرو تولید می کنند که مقدار
این باری تولیدی از طریق رابطۀ ذیل بدست می آید :
ضریب (ثابت) پیزوالکتریک می باشند. d نیرو و Fکه
اگرچه نام تقویت کنندۀ شارژ نشان می دهد که می بایست بار الکتریکی در حال تقویت باشد؛ اما حقیقت
این است که این نوع تقویت کننده، فقط بار الکتریکی را به ولتاژ الکتریکی متناسب تبدیل می کند.
سیگنال های پیزوالکتریک را نمی توان با استفاده از دستگاه های امپدانس پایین خواند.
دو دلیل اصلی برای این امر عبارتند از :
1.امپدانس خروجی بالا در سنسور منجر به سطوح سیگنال خروجی کوچک و خطا های بارگذاری بزرگ
می شود.
2.شارژ توانایی نشت کردن سریع از طریق بار را دارد. برای حل این مشکل تا حد زیادی،معمولا یک
یک تقویت کنندۀ شارژ به عنوان دستگاه تهویۀ سیگنال برای سنسور های پیزوالکتریک استفاده می شود.
(mV/g)به طور کلی تا اواسط دهۀ 1960 میلادی، شتاب سنج های پیزوالکتریک در واحد های ولتاژ
کالیبره می شدند و تقویت کننده های ولتاژ، برای بحث سیگنال این شتاب سنج ها مورد استفاده واقع
می شدند. با این حال، اشکالات زیادی برای این طرح فناوری وجود داشت.
تقویت کننده های شارژ تا اواسط دهۀ 1960 میلادی، از نظر تجاری دوام داشتند؛ اما پس از آن، شتاب-
با این هدف که از تقویت کننده های شارژ برای(pC/g)سنج های پیزوالکتریک در واحد های شارژ (بار)
سیگنال دهی وضعیت سنسور استفاده کنند، کالیبره (صحت سنجی واحد) شدند.
در ادامه، نگاهی کلی به کاربرد ها و موارد استفاده از این تقویت کننده های خواهیم داشت.
1.سنسور های فشار : تقویت کنندۀ شارژ اساسا یک تقویت کنندۀ ولتاژ معکوس با بهرۀ بالا با مقاومت
عایق ورودی بالا می باشد.
2.مبدل برای حرکت مطلق : تقویت کنندۀ شارژ برای غلبه بر برخی از مشکلات مرتبط با دنبال کنندۀ
ولتاژ، از قبیل حساسیت و عملکرد فرکانس پایین که وابسته به ظرفیت کابل است، توسعه یافته است.
3.فرآیند احتراق و تجزیه و تحلیل آن
4.اندازه گیری و تحلیل ارتعاش خودرو
5.مورد استفاده در ابزار لرزه ای و عوامل محیطی
6.کشش نخ در بافندگی و اندازه گیری آن
7.سنجس گرادیان کشش فلکسوالکتریک
منابع :
1.Understanding and Implementing Charge Amplifiers for Piezo Sensor Systems
( allaboutcircuits.com )
2.Ideal Charge Amplifier for Piezoelectric Transducers ( virtek.com )
3.What is Piezoelectric Sensor? Construction, Working, and Applications
( electricaltechnology.org )
4.Charge Amplifier for Piezo Sensors ( wikipedia.org )
- Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors-Balanced Impedances
( researchgate.net )
6.What is a Charge Amplifier and Why do I Need One? ( endevco.com)
7.Reasons to Use Charge Amplifiers ( electronics.stackexchange.com )
بدون دیدگاه