تحقیق کاربرد پیزوالکتریک در اندازه گیرهای فشار
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته برق و مخابرات (آموزش_و_پژوهش)
فهرست
مقدمه : 6
پیزو الکتریک... 9
نگاه میکروسکوپی به پیزوالکتریسیته 11
تاثیرات مستقیم و معکوس.. 17
پلیمرها 20
سرامیک‌های پیزوالکتریک... 22
خطا در اندازه گیری. 23
2- خطای دستگاه 23
خطای دستگاه 24
طبقه بندى سيستمهاى اندازه گيرى. 24
دستگاه هاى آنالوگ و ديجيتال. 24
تعريف فشار. 24
مشخصه های مطلوب یک سیال مانومتر 26
انواع فشار سنج های ارتجاعی. 26
لوله بوردن. 26
فشارسنج کپسولی. 27
انواع فشار سنج های الکتریکی. 27
فشارسنج استرین گیج. 27
فشارسنج پیزوالکتریکی. 27
فشار سنج پيزو مقاومتي. 27
فشارسنج مک لئود 28
فشارسنج پیرانی. 28
فشارسنج ترموکوپلی. 28
فشارسنج پنینگ.. 28
فشارسنج یونیزاسیون کاتد گرم. 28
حسگر پیزوالکتریک: 28
وسايل اندازه گيري فشار. 31
انواع وسايل اندازه‌گيري فشار عبارتند از. 31
فشار سنجهاي هيدرواستاتيکي. 31
فشار سنجهاي پيستوني. 32
فشار سنجهاي ستون مايع. 32
فشار سنجهاي آنرويدي( فشار سنجهاي مكانيكي. 33
فشارسنجهاي بوردون. 34
فشارسنجهاي ديافراگمي. 35
فشار سنج الكترونيكي. 36
فشار سنج پيزو مقاومتي. 36
فشار سنج خازني. 36
فشار سنج مغناطيسي. 36
فشار سنج پيزو الكتريك. 36
فشار سنج پتانسيومتري. 36
فشار سنج تشديدي. 36
فشار سنج هدايت حرارتي. 37
فشارسنج يونيزاسيون. 37
اندازه گیری فشار (Piezometry) 38
اندازه گیرهای الکتریکی فشار (ElectricalPressure Measurement) 40
انواع فشارسنجها 40
انواع فشار سنج های صنعتی. 42
انواع وسايل اندازه‌گيري فشار عبارتند از : 43
انواع مختلف پرشر گیج های الکترونیکی شرکت ویکا 44
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.تحقيقي در اندازه گيري الكترونيكي حسگرهای پيزوالكتريك :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.