تحقیق انواع سنسورهای فشارسنج پیزوالکتریک و کاربرد آنها در صنعت

فهرست

مقدمه

پیزوالکتریک :
در پیزوالکتریک تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ می شود. در حقیقت ضربات وارد شده باعث تولید ولتاژ می شود نمک راشل که در میکروفن های قدیمی استفاده می گردید خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتس رایج ترین پیزوالکتریک می باشد . سنسورهای پیزوالکتریک بخاطر دقت بالا کاربردهای فراوانی دارند . ویژگی های عمده این سنسورها سختی، سایز کوچک ،سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه هستند با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک می توان سرعت و تغییرات شتاب را نیز اندازه گیری نمود .حسگرهای پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي ‌گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد مي‌‌شود يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار مي‌‌گيرد تغيير شكل مكانيكي مي ‌يابد. ميزان بار الكتريكي يا تغيير شكل مكانيكي به تركيب ماده بستگي دارد. در ساختمان اين سراميك ‌ها موادي نظير: اكسيد سرب، تيتانيا، زيركونيا و غيره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد اين مواد با نسبت ‌هاي مختلف با هم مخلوط مي ‌شوند. با تغيير تركيب و ابعاد قطعات مي ‌توان پيزوسراميك ‌ها را براي كاربردهاي مختلف طراحي كرد، از جمله شتاب سنج ها، مبدل هاي كوچك، حس گرهاي خودرو، سنسورهاي جريان سيالات و در بخش پزشكي در مبدل تصويرگرهاي تشخيصي و مانيتورهاي قلب جنين ‌، تفنگ ‌هاي ليزري، چاقوهاي كوچك جراحي و كالبدشكافي، پاك كننده‌هاي دنداني، پمپ ‌هاي IV ‌،پمپ هاي قلب و مبدل ‌هاي كوچك در مجاري خون در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب ‌امروزه تحقيقات بزرگ و پيشرفت هاي عظيم بر پايه محاسبات جزيي و دقيق مهندسي بنا شده است. پايه اين محاسبات ، اندازه گيري هاي دقيقي است كه مي بايست انجام شود.
در دنـيـــاي امـــروز ايـــن انــدزه گـيــري هــا بــه روش‌هــاي مــدرن و بــا دستگـاه هـاي پيشـرفتـه مهندسي انجام مي گیرد. اندازه گيري در حقيقت بـه مـعـنـاي پروسه مشخص كردن يا پيدا كردن انــدازه، زاويـه يـا در كـل كـمـيـت اسـت. وسـايـل انــدازه‌گـيـري وسـايلـي هستنـد كـه كميـت هـاي اندازه‌گيري را به اطلاعات آنالوگ يا ديجيتال تبديل مي كنند. يكي از اين وسايل اندازه گيري سنسورهاي پيزوالكتريك هستند كه براي سنس كـردن تـغـيـيـرات بـسـيـار جـزئـي به كار مي‌آيند. پيزوالكتريسيته توسط پيروژاك كوري در سال 1892 كشف شد و از واژه يوناني Piezin به معني "فشار" مشتق مي شود. اعمال فشار به برخي كريستال ها مانند كوارتز يا برخي سراميك ها ، الكتريسيته توليد مي كند. فشار يا تنش مكانيكي وارد شده به برخي كريستال ها باعث جابه جايي دو قطبي هاي ايجاد شده و پديد آمدن ميدان الكتريكي مي شود. آرايش يون هاي مثبت و منفي، تعيين كننده ايجاد يا عدم ايجاد اثر پيزوالكتريسيته است. اين سنسورها كاربردهاي گسترده اي از صنعت خودرو سازي تا اندازه گيري فشار خون در رگ ها در جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب دارندساختار:همانطور كه گفته شد سنسورهاي پيزوالكتريك بر پايه اصل پيزوالكتريسيته استوار هستند. به اين معنا كه اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار مي گيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد مي شود؛ يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار مي‌گيرد تغيير شكل مكانيكي مي يابد. اين جابجايي بارهاي الكتريكي را در شبكه اتمي يك كريستال پيزوالكتريك طبيعي، در پاسخ گويي به فشار را مي توان در شكل 1 مشاهده مي شود. دايره هاي بزرگ نشان دهنده اتم هاي سيليكون هستند.
در حالي‌كه دايره هاي كوچك، نشان دهنده اتم هاي اكسيژن هستند. كوارتز كريستالي ، هم نـوع كريستال طبيعي يا كيفيت بالا و هم نوع تغيير يافته آن، از جمله مهمترين مواد پيزو‌الكتريك مورد دسترس، حساس و پايدار هستند.
عـلاوه بـر كـريستـال هاي كوارتز مي توان، PCB هاي طراحي شده با به كارگيري تكنولوژي انساني، پلي كريستال ها و پيزو سراميك ها را نام برد. اين مواد با كاربرد ميدان الكتريكي گسترده اي، تحت فشار قرار گرفته اند، تا تبديل به مواد پيزوالكتريك شوند، يــك خــروجــي high-voltage قــوي را تــوليـد مـي كنـد. ايـن ويـژگـي بـراي استفـاده در سيستم‌هاي اندازه گيري كم نويز، يك ويژگي بسيار ايده آل است.
با ارزش سختي يكسان نسبت به Psi 6E15 كه مشابه بسياري از فلزات است، مواد پيزوالكتريك خروجي هاي بالا را به وسيله كرنش هاي كوچك كاهش مي دهند. به عبارت ديگر، مواد پيزوالكتريك موادي را سنجش مي كنند كه ضرورتا شكست و انكسار نداشته باشند و اغلب به حالت جامد باشند. اين به اين دليل است كه سنسورهاي پيزوالكتريك بسيار قوي هستند و اين ويژگي عالي، يك رابطه خطي با ميدان گسترده نوسان دارد. در حقيقت، وقتي سيگنال مناسب طراحي شده به طور صحيح به هم بپيـونـدنـد، سنسـورهـاي پيـزوالكتـريـك داراي يـك محـدوده نـوسـان پـويـا (براي مثال، محدوده اندازه گيري نسبت به نويز) دارند. نكته مهم نهايي درباره مواد پيزوالكتريك اين است كه آن ها تنها مي توانند اتفاقات پويا و در حال تغيير را اندازه بگيرند.سنسورهاي پيزوالكتريك قادر به اندازه گيري حوادث استاتيك پيوسته مانند: سيستم داخلي هدايت موشك، فشار هوا و اندازه گيري وزن نيستند، در حالي‌كه حوادث استاتيك دليل اوليه خروجي هستند؛ اين سيگنال به آهستگي ضعيف شده، بر اساس مواد پيزوالكتريك يا متعلق به الكترونيك زمان ثابت است. اين بار ثابت مطابق با مرتبه اول ***** بالاگذر است و براساس خازن و مقاومت دستگاه است. اين ***** بالا گذر در نهايت تعيين كننده

يك سنسور هم كميت فيزيكي معين را كه بايد اندازه‌گيري شود به شكل يك كميت الكتريكي تبديل مي‌كند، كه مي‌تواند پردازش شود يا به صورت الكترونيكي انتقال داده شود. مثلاً يك سنسور رنگ مي‌تواند تغيير در شدت نور را به يك پروسه تبديل نوري الكتروني به صورت يك سيگنال الكتريكي تبديل كند. بنابراين سنسور را مي‌توان به عنوان يك زير گروه از تفكيك كننده‌ها كه وظيفه‌ي آن گرفتن علائم ونشانه‌ها از محيط فيزيكي و فرستادن آن به واحد پردازش به صورت علائم الكتريكي است تعريف كرد. البته سنسوري مبدلي نيز ساخته شده‌اند كه خود به صورت IC مي‌باشند و به عنوان مثال (سنسورهاي پيزوالكترونيكي، سنسورهاي نوري).

وقتي ما از سنسوري مجتمع صحبت مي‌كنيم منظور اين است كه تكيه پروسه آماده‌سازي شامل تقويت كردن سيگنال، فيلترسازي، تبديل آنالوگ به ديجيتال و مدارات تصحيح‌ مي‌باشند، در غير اين صورت سنسوري كه تنها سيگنال توليد مي‌كند به نا سيستم موسوم هستند.

امروزه بحث سنسور به اهميت مفاهيمي از قبيل ميكروپرسسور (پردارزش گر)، انواع مختلف حافظه وساير عناصر الكترونيكي رسيده است، با اين وجود سنسور هنوز هم فاقد يك تعريف دقيق است همچنانكه كلمات الكترونيكي از قبيل پروب، بعدسنج، پيك آپ يا ترنسديوسر هنوز هم معاني لغوي ندارند. جدا از اين‌ها كلمه سنسور خود ريشه بعضي كلمات هم خانواده نظير المان سنسور، سيستم سنسور، سنسور باهوش و تكنولوژي سنسور شده است كلمه سنسور يك عبارت تخصصي است كه از كلمه لاتين Sensorium، به معني توانايي حس كرد، يا Sensus به معني حس برگرفته شده است. پيش از آن كه بحث را ادامه دهيم لازم است عبارت سنسور را در صنعت الكترونيك تعريف كنيم:

در نوع پيشرفته به نام سنسور هوشمند يك واحد پردازش به سنسور اضافه شده است تا خورجي آن عاري از خطا باشد منطقي‌تر شود. واحد پردازش سنسور كه به صورت يك مدار مجتمع عرضه مي‌شود اسمارت (Smart) ناميده مي‌شود. يك سنسور بايد خواص عمومي زير را داشته باشد تا بتوان در سيستم به كار برد كه عبارتند از:

حساسيت كافي، درجه بالاي دقت و قابليت توليد دوباره خوب، درجه بالاي خطي بودن، عدم حساسيت به تداخل و تاثيرات محيطي، درجه بالاي پايداري و قابليت اطمينان، عمر بالاي محصول و جايگزيني بدون مشكل.

امروزه با پيشرفت صنعت الكترونيك سنسوري مينياتوري ساخته مي‌شود كه از جمله مشخصه‌ي آن مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

سيگنال خروجي بدون نويز، سيگنال خروجي سازگار با باس، احتياج به توان پايين.

سنسور فشار

سنسور فشار جهت اندازه گیری فشار مایع و یا فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد . فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود.
سنسور فشار به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.

کاربرد سنسور فشار

سنسور فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد صنعتی استفاده می شوند، با توجه به اینکه پارامتر فشار یک کمیت عمومی در صنایع مختلف می باشد . این سنسور تقریبا در تمامی صنایع کاربرد دارد که این صنایع شامل کلیه خطوط تولید هیدرولیک و پنوماتیک ، صنایع آب و فاضلاب ، خطوط رباتیک ، صنایع غذایی ، دیگهای بخار ، صنایع نورد فلزات ، معادن ، چیلر ، ارتفاع سنجی مخازن ، موتورخانه ها ، ایستگاههای پمپاژ ، سد ، جرثقیل ، ماشین آلات راه سازی ، مخازن مایعات و گازها ، غلتک ها ، سیستم های هیدرو متری ، نفت وگاز ، فشار خلاء (Sealing Pressure) ، فشار مطلق (AbsolutePressure) ، فشار نسبی (Meter Pressure) ، پارچه بافی و نخ ریسی ، سیستم های آتش نشانی و سیستم های هواشناسی و… می باشد.

به طور کلی می توان کاربرد سنسور فشار را به چند دسته تقسیم کرد

۱-    اندازه گیری فشار
۲-    اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
۳-    آزمایش نشتی
۴-    اندازه گیری عمق

۵- اندازه گیری جریان

۱-    اندازه گیری فشار : این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن‌ها فشار کارایی دارد به کار می رود
۲-    اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا : این کاربرد از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود که کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن‌های هواشناسی و غیره می باشد
۳-    آزمایش نشتی : می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش‌های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان
۴-    اندازه گیری عمق و ارتفاع : یکی دیگر از کاربردهای سنسور فشار اندازه گیری ارتفاع سطح مایع می باشد ، از این تکنیک برای اندازه گیری جسم غوطه ور در آب مانند غواص ها ، زیر دریایی ها و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن استفاده می شود .
۵-    اندازه گیری جریان : در این روش با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت ، اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتاً کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.

تکنولوژی های اندازه گیری سنسورهای فشار

۱-    اندازه گیری فشار توسط مانومتر ها (Manometers)
(مانومتر یک شاخه ای (Single Leg Manometer)
مانومتر دو شاخه ای (V-Tube Manometer)
مانومتر مورب Inclined Manometer)
۲-    اندازه گیری فشار توسط فشار سنج های لوله بوردن (Bourdon Tube)
لوله ی C شکل (C-Tube) – لوله ی فانوسی (Bellows Tube) – لوله ی حلقوی (Helical Tube) لوله ی حلزونی (Spiral Tube)
۳-    کپسول (Capsule)– دیافراگم (Diaphragm)
۴-    اندازه گیرهای الکتریکی فشار (Electrical Pressure Measurement)
۵-    استرین گیج ها (Strain-Gages)
۶-    اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive Pressure Measurement )
۷-    اندازه گیری های پیزوالکتریکی فشار (Piezoelectrical Pressure Measurement)

کپسول (Capsule)– دیافراگم (Diaphragm)

دیافراگم معمولا از جنس فلزی استیل ساخته می شود و روی دیافراگم را به صورت موج دار می سازند تا در برابر نیرویی که به آن وارد می شود جابجایی داشته باشند . برای اندازه گیری فشار زیاد از دیافراگم کوچک و برای اندازه گیری فشار کم از دیافراگم بزرگ استفاده می شود .
کپسول از دو دیافراگم تشکیل شده است که محیط آن به هم وصل می شود که بین آنها از مایع تراکم ناپذیر پر می شود حساسیت کپسول بیشتر از دیافراگم است و به ازای فشار مشخص تغییرات طول کپسول معادل دو برابر یک دیافراگم با مشخصه مشابه می باشد.

سنسورهای فشار از نظر نوع فشار اندازه گیری

با توجه به نوع فشار، فشار سنج ها، به ۵ دسته طبقه بندی می شوند
۱- مطلق
۲- گیج
۳- خلا
۴- تفاضلی
۵- مهرشده(sealed)

سنسورهای فشار مطلق

این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.

سنسورهای فشار گیج

این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می تواند برای اندازه گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار ۰ psi را می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

سنسورهای فشار خلا

این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا .

سنسورهای فشار تفاضلی

این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.

سنسورهای فشار مهرشده(sealed)

این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.

سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی ساخت

سنسور های فشار با تکنولوژیهای زیر ساخته و در بازار عرضه می شوند

۱-    روش دیافراگم و کپسول
۲-    ترانسدیوسر خازنی فشار
۳-    ترانسدیوسر پتانسیومتری فشار
۴-    پیزوالکتریک
روش دیافراگم و کپسول :
دیافراگم معمولا از جنس فلزی استیل ساخته می شود و روی دیافراگم را به صورت موج دار می سازند تا در برابر نیرویی که به آن وارد می شود جابجایی داشته باشند . برای اندازه گیری فشار زیاد از دیافراگم کوچک و برای اندازه گیری فشار کم از دیافراگم بزرگ استفاده می شود .
کپسول از دو دیافراگم تشکیل شده است که محیط آن به هم وصل می شود که بین آنها از مایع تراکم ناپذیر پر می شود حساسیت کپسول بیشتر از دیافراگم است و به ازای فشار مشخص تغییرات طول کپسول معادل دو برابر یک دیافراگم با مشخصه مشابه می باشد

ترانسدیوسر خازنی فشار :
در این ترانسدیوسر از فاصله صفحات خازن برای سنجش فشار استفاده می شود در این روش توسط نوسان ساز تغییرات ظرفیت خازن تبدیل به تغییرات فشار می شود این نوع ترانسدیوسرها برای اندازه گیری فشار کم و معمولا برای آزمایشگاه استفاده می شود.

ترانسدیوسر پتانسیومتری فشار :
در این روش از یک بیلوز جهت تبدیل فشار پروسه به جاجایی استفاده می شود .
بیلوز شبیه به بوق دو چرخه است که با افزایش فشار طول آن تغییر کرده و با جابجا شدن اهرم تنظیم مقاومت متغییر می شود و در نتیجه می توان مقاومت فشار را اندازه گیری نمود .

سازندگان این نوع سنسور

تقریبا می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند  که از جمله برندهای معتبر بازار  می توان به موارد زیر اشاره کرد
سنسور فشار هاگلر Hogller
سنسور فشار اتک Atek
سنسور فشار ترافاگ TRAFAG
سنسور فشار   امرسون EMERSON
سنسور فشار اشکراف ASHCROFT
سنسور فشار   یوکوگاوا  YOKOGAWA
سنسور فشار زیمنس  SIEMENS
سنسور فشار هانی ول HONEY WELL
سنسور فشار فاکس برو FOXBORO
سنسور فشار فیشر FISHER
سنسور فشار روزمونت  ROSEMOUNT
سنسور فشار کلر KELLER
سنسور فشار دانفوس DANFOSS
سنسور فشار ویکا WIKA
سنسور فشار ایندومارت INDUMART
سنسور فشار آی اف ام  IFM
سنسور فشار بامر BAUMER
سنسور فشار بی دی سنسور BD SENSORS
سنسور فشار اندرس هاوزن  ENDRESS+ HAUSER
سنسور فشار سنسیس Sensys

تاریخچه

اکتشاف و پژوهش‌های اولیه

اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس و فرنز آپینوسمطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورلادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش‌های آن‌ها نتیجه قاطعی نداد.

اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوری انجام شد. آن‌ها دانششان را از پیزوالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (ن