Function of Piezoelectric Accelerometers

Function of Piezoelectric Accelerometers

نحوه عملکرد شتاب سنج پیزوالکترونیک

عملکرد شتاب سنج های پیزو الکترونیک بر اساس اثر پیزوالکترونیک کریستال های کوارتز یا سرامیک بوده که در آن متناسب با شتاب اعمال شده به کریستال، جریان الکتریکی توسط کریستال تولید می گردد. اثر پیزوالکترونیک موجب جمع شدن شارژ بارهای مخالف در کریستال می گردد. مقدار این شارژ متناسب با نیرو ویا تنش وارد شده به کریستال می باشد. نیروی وارد شده به شبکه کریستال کوارتز موجب می شود تا یون های مثبت و منفی در آن جابجا شده و در نتیجه این یون های در دو سطح مقابل کریستال جمع شوند. این شارژ الکترونیکی کریستال را می توان برای اندازه گیری به پردازنده منتقل نمود.

در یک شتاب سنج، تنش بر روی کریستال ها ناشی از نیرویی است که یک جرم مرتعش بر روی کریستال اعمال می کند.این ساختار ازقوانین نیوتن پیروی می کند که بر اساس آن F=ma است. بنابراین مقدار شارژ ایجاد شده معادل نیروی اعمال شده بوده و نیروی اعمال شده نیز متناسب با شتاب می باشد. الکترود ها شارژ ایجاد شده را جمع کرد و توسط سیم به یک تقویت کنند سیگنال منتقل می کنند. این تقویت کننده ممکن است در داخل سنسور شتاب سنج بوده و یا در خارج آن قرار بگیرد. سنسورهایی که تقویت کننده در داخل آنها تعبیه شده است تحت عنوان Integrated Electronic Piezoelectric (IEPE) دسته بندی می گردند.

ساختمان شتاب سنج پیزوالکترونیک

پیکره بندی های مختلفی برای اندازه گیری مقدار شتاب توسط پیزوالکتریک وجود دارد. این پیکره بندی با توجه نحوه اعمال نیروی اینرسی جرم بر روی پیزوالکتریک مشخص می گردد.

1 - استفاده از تنش برشی- نوع برشی (Shear Mode)

در طراحی اتصال برشی یا ساندویچی، کریستال حسگر مابین هسته مرکزی عمودی (Center post) و جرم مرتعش (Seismic mass) قرار می گیرد. از یک حلقه برای ایجای پیش بار استفاده شده تا مجموعه هسته مرکزی، کریستال پیزوالکتریک و جرم مرتعش به صورت یک مجموعه در بیایند. ارتعاش موجب می شود تا جرم تنش برشی بر کریستال اعمال کند. با ایزوله کردن کریستال حسگر از پایه و بدنه این نوع از  شتاب سنج ها عملکرد مناسبی در دفع اثرات حرارتی و خمشی محل نصب خواهند داشت. این نوع حسگر ها همچنین دارای ابعاد کوچکتری نیز می باشند.

Shear Mode

 

2- حالت خمشی (Flexural Mode)

در حالت خمشی کریستال به صورت یک تیر  می باشد که بر روی تکیه گاه قرار گرفته است. وجود تکیه گاه موجب می شود تا بر اثر نیروی ناشی از شتاب تنش در کریستال ایجاد شده و در نتیجه آن شارژ الکتریکی نیز در آن ایجاد شود. در بعضی از موارد کریستال را بر روی یک تیر نگهدارنده نصب می کنند تا مقدار تنش ناشی از شتاب بیشتر گردد. این طراحی سنسور شتاب موجب می شود تا سنسور دارای وزن کمتر، ثبات دمایی بهترو قیمت پایین تر باشد. یکی دیگر از مزایای این سنسور عدم حساسیت به حرکت های عمود بر جهت اندازه گیری شتاب می باشد. عموما این طراحی برای فرکانس های پایین و یا شتاب های پایین استفاده می شود. 

Flexural Mode

 

3- حالت فشاری (Compression Mode)

شتاب سنج هایی بر اساس تحت فشار قرار گرفتن پیزوالکتریک کار می کنند دارای ساختاری ساده و استحکام بالا می باشند. سه نوع طراحی برای این نوع از شتاب سنج ها وجود دارد: upright, inverted, and isolated

 

Upright3-1-

در طراحی Upright، کریستال پیزو الکتریک مابین جرم مرتعش و پایه سنسور قرار می گیرد. المان حسگر(مجموع کریستال و جرم مرتعش) توسط پیچی که خاصیت الاستیک دارد به پایه متصل می گردد. با تغییر شتاب سنسور مقدار نیرویی که توسط جرم مرتعش به کریستال وارد می گردد تغییر کرده و به تناسب آن نیز مقدار الکتریسیته تولید شده توسط کریستال نیز تغییر می یابد.

طراحی این نوع از سنسورهای شتاب به گونه ای است که می توان از آنها در فرکانس های بالا استفاده نمود و فرکانس پاسخ دقیقی از آنها دریافت کرد. ساختار مستحکم آنها نیز موجب مقاومت این نوع از سنسورها در برابر شوک های ناشی از تغییر شدید شتاب می شود. ولیکن به دلیل تماس کامل کریستال حسگر با پایه سنسور  این طراحی به تغییر شکل خمشی پایه و اثرات گذار حرارتی حساسیت بالاتری را دارد. این اثرات می توانند موجب ایجاد خطا در سیگنال های خروجی  هنگامی که از آنها بر روی ورقه های فلزی  یا در فرکانس های پایین در محیط هایی که از نظر حرارتی ناپایدار هستند، بشود. مانند نصب در محیط بیرونی و یا نزدیک فن ها و دمنده ها.

Upright Compression

 

 

3-2- نوع  Inverted compression

در این طراحی کریستال حسگر نسبت به پایه سنسور عایق می شود این کار باعث می شود تا تاثیرات ناشی از خمش پایه و یا ناپایداری دمای محل نصب به حداقل برسد. در بسیاری از شتاب سنج های مرجعی که برای کالیبراسیون استفاده می شوند از این طراحی استفاده می گردد.

Inverted compression

 

3-3- نوع  Isolated compression

این طراحی خطاهای ناشی از تغییر شکل های پایه سنسور و تغییرات حرارتی را کاهش می دهد. این مزیت با استفاده از ایزوله کردن کریستال حسگر از اثرات مکانیکی پایه سنسور و استفاده از یک جرم مرتعش تو خالی که به عنوان عایق حرارتی عمل می کند به دست می آید. این بهبود مکانیکی موجب می شود تا عملکردی پایدار، در فرکانس های پایین به دست آید، جایی که تغییرات سیگنال تولیدی در اثر نوسان حرارتی در دیگر انواع سنسورهای نوع فشاری رخ می دهد.  

Isolated Compression

منبع: سایت شرکت PCB

http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel