کاربرد پیزوالکتریک در اندازه گیرهای فشار

تعداد صفحات : 40 فرمت ورد و قابل ویرایش

فهرست                                                                   

مقدمه 

پیزو الکتریک

نگاه میکروسکوپی به پیزوالکتریسیته

تاثیرات مستقیم و معکوس

پلیمرها

سرامیک‌های پیزوالکتریک

خطا در اندازه گیری

2- خطای دستگاه

خطای دستگاه

طبقه بندى سیستمهاى اندازه گیرى

دستگاه هاى آنالوگ و دیجیتال

تعریف فشار

مشخصه های مطلوب یک سیال مانومتر

انواع فشار سنج های ارتجاعی

• لوله بوردن
• دیافراگمی
• کپسولی
• دم یا فانوسی و یا خرطومی
• مزیت عمده آنها سادگی استحکام و دوام شان است

لوله بوردن

فشارسنج کپسولی

انواع فشار سنج های الکتریکی

• استرین گیج
• پیزو الکتریکی
• خازنی

فشارسنج استرین گیج

فشارسنج پیزوالکتریکی

فشار سنج پیزو مقاومتی

• مک لئود
• پیرانی
• ترموکوپلی
• پنینگ یا کاتد سرد
• کاتد گرم

فشارسنج مک لئود

فشارسنج پیرانی

فشارسنج ترموکوپلی

فشارسنج پنینگ

فشارسنج یونیزاسیون کاتد گرم

حسگر پیزوالکتریک

وسایل اندازه گیری فشار

انواع وسایل اندازه‌گیری فشار عبارتند از

فشار سنجهای هیدرواستاتیکی

فشار سنجهای پیستونی

فشار سنجهای ستون مایع

فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مكانیكی)

فشارسنجهای بوردون

فشارسنجهای دیافراگمی

فشار سنج الكترونیكی

فشار سنج پیزو مقاومتی

فشار سنج خازنی

فشار سنج مغناطیسی

فشار سنج پیزو الكتریك

فشار سنج پتانسیومتری

فشار سنج تشدیدی

فشار سنج هدایت حرارتی

فشارسنج یونیزاسیون

اندازه گیری فشار (Piezometry) 

اندازه گیرهای الکتریکی فشار (ElectricalPressure Measurement) 

• اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive PressureMeasurement)

انواع فشارسنجها

انواع فشار سنج های صنعتی

انواع وسایل اندازه‌گیری فشار عبارتند از

انواع مختلف پرشر گیج های الکترونیکی شرکت ویکا

                  مقدمه :

پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان،  DNA و پروتئین‌های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است .( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی. میهمان عزیز شما قادر به مشاهده لینک نمی باشید. جهت مشاهده لینک در تالار گفتگو ثبت نام کنید. .ثر پیزو الکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود.اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.به عنوان مثال سرامیک‌های PZT O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های نور در مقیاس بسیار بزرگ.این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA انجام شد. SNOM همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگاراثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl مطالعه شد و با الهام از این موضوع ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن‌ها نتیجه‌ی قاطعی نداد.اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران آن‌ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های خاصیت پیزوالکتریک دارند و Rochelle salt بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی- الاستیکی -مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده‌ی رفتار الکتریکی ماده استحسگرها ی پیزوالکتریک:بعضی مواد طبیعی یا مصنوعی مانند کوارتز ، تورمالین ، لیتیم سولفات و ... هنگامی که تحت تغییر شکل یا بار مکانیکی قرار می گیرند ، بار الکتریکی تولید می کنند به این مواد ، مواد پیزو الکتریک گویند(اثر پیزو الکتریک). همچنین به عکس می توان با اعمال ولتاژ به این مواد تغییر شکل مکانیکی در آن ها ایجاد کرد(اثر پیزوالکتریک معکوس). کاربردهای آن: انواع سنسورهای پیزو الکتریک (شتاب) سنج(Accelerometer)، کرنش سنج(Strain gage) (سنسورهای نیرو وفشار ) ، شتاب دهنده های پیزوالکتریک(Actuators) نوسانگر پیزو الکتریک ، چشمه موج یا سنسور آلتراسونیک ، منبع با ولتاژ بالا و بسیاری دیگر...اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می‌کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند) و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه‌ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند.حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.تحقیقی در اندازه گیری الكترونیكی حسگرهای پیزوالكتریك :حسگرهای پیزوالكتریك بر پایه اصل پیزوالكتریسیته استوار هستند. به این معنا كه اگر یك ماده به عنوان مثال یك سرامیك، پیزوالكتریك باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می ‌گیرد در سطح آن بار الكتریكی تولید می‌‌شود یا وقتی در میدان الكتریكی قرار می‌‌گیرد تغییر شكل مكانیكی می ‌یابد. میزان بار الكتریكی یا تغییر شكل مكانیكی به تركیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیك ‌ها موادی نظیر: اكسید سرب، تیتانیا، زیركونیا و غیره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد این مواد با نسبت ‌های مختلف با هم مخلوط می ‌شوند. با تغییر تركیب و ابعاد قطعات می ‌توان پیزوسرامیك ‌ها را برای كاربردهای مختلف طراحی كرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل های كوچك، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات و در بخش پزشكی در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مانیتورهای قلب جنین ‌، تفنگ ‌های لیزری، چاقوهای كوچك جراحی و كالبدشكافی، پاك كننده‌های دندانی، پمپ ‌های IV ‌،پمپ های قلب و مبدل ‌های كوچك در مجاری خون در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب ‌امروزه تحقیقات بزرگ و پیشرفت های عظیم بر پایه محاسبات جزیی و دقیق مهندسی بنا شده است. پایه این محاسبات ، اندازه گیری های دقیقی است كه می بایست انجام شود.
در دنـیـــای امـــروز ایـــن انــدزه گـیــری هــا بــه روش‌هــای مــدرن و بــا دستگـاه هـای پیشـرفتـه مهندسی انجام می گیرد. اندازه گیری در حقیقت بـه مـعـنـای پروسه مشخص كردن یا پیدا كردن انــدازه، زاویـه یـا در كـل كـمـیـت اسـت. وسـایـل انــدازه‌گـیـری وسـایلـی هستنـد كـه كمیـت هـای اندازه‌گیری را به اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می كنند. یكی از این وسایل اندازه گیری سنسورهای پیزوالكتریك هستند كه برای سنس كـردن تـغـیـیـرات بـسـیـار جـزئـی به كار می‌آیند. پیزوالكتریسیته توسط پیروژاك كوری در سال 1892 كشف شد و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می شود. اعمال فشار به برخی كریستال ها مانند كوارتز یا برخی سرامیك ها ، الكتریسیته تولید می كند. فشار یا تنش مكانیكی وارد شده به برخی كریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الكتریكی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین كننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالكتریسیته است. این سنسورها كاربردهای گسترده ای از صنعت خودرو سازی تا اندازه گیری فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب دارندساختار:همانطور كه گفته شد سنسورهای پیزوالكتریك بر پایه اصل پیزوالكتریسیته استوار هستند. به این معنا كه اگر یك ماده به عنوان مثال یك سرامیك، پیزوالكتریك باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الكتریكی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الكتریكی قرار می‌گیرد تغییر شكل مكانیكی می یابد. این جابجایی بارهای الكتریكی را در شبكه اتمی یك كریستال پیزوالكتریك طبیعی، در پاسخ گویی به فشار را می توان در شكل 1 مشاهده می شود. دایره های بزرگ نشان دهنده اتم های سیلیكون هستند.
در حالی‌كه دایره های كوچك، نشان دهنده اتم های اكسیژن هستند. كوارتز كریستالی ، هم نـوع كریستال طبیعی یا كیفیت بالا و هم نوع تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزو‌الكتریك مورد دسترس، حساس و پایدار هستند.