مبانی سنسور پیزو: شوک و لرزش

سنسور پیزوالکتریک برای اندازه گیری انعطاف، لمس، لرزش و شوک استفاده می شود. اصل اساسی آن، در خطر ساده سازی بیش از حد، به شرح زیر است: هر زمان که یک سازه حرکت می کند، شتاب را تجربه می کند. یک سنسور شوک پیزوالکتریک به نوبه خود می تواند در صورت شتاب فیزیکی بار تولید کند. سپس از این ترکیب خواص برای اصلاح پاسخ یا کاهش نویز و لرزش استفاده می شود.

چرا این مهم است؟ زیرا لرزش و ضربه می تواند عمر هر سیستم الکترونیکی و الکترومکانیکی را کاهش دهد. لیدهای ظریف و سیم های باند می توانند تحت فشار قرار گیرند، به خصوص پس از قرار گرفتن در معرض لرزش طولانی مدت. اتصالات لحیم می توانند آزاد شوند و ردهای PCB می توانند تا حدی در اثر ضربه و ضربه ضربه پاره شوند و سخت ترین نوع نقص سیستم را برای اشکال زدایی ایجاد کنند. یک شکست متناوب

این مقاله در مورد سنسورهای شوک پیزوالکتریک و لرزش و فن‌آوری حسگرها، تمرکز بر محصولات موجود (همه قسمت‌های ذکر شده در اینجا را می‌توانید در وب‌سایت DigiKey بیابید – لینک‌ها ارائه شده‌اند)، و همچنین مسائل طراحی و تکنیک‌های طراحی را مورد بحث قرار می‌دهد.

سنسور پیزو چگونه کار می کند

اثر پیزوالکتریک توسط پیر و ژاک کوری در اواخر قرن نوزدهم کشف شد. آنها کشف کردند که مواد معدنی مانند تورمالین و کوارتز می توانند انرژی مکانیکی را به خروجی الکتریکی تبدیل کنند. ولتاژ ناشی از فشار (به یونانی: piezo) متناسب با فشار اعمال شده است و از دستگاه های پیزوالکتریک می توان برای تشخیص رویدادهای تک فشار و همچنین رویدادهای تکراری استفاده کرد.

با این حال، توانایی برخی از کریستال‌ها برای نشان دادن بارهای الکتریکی تحت بارگذاری مکانیکی، تا زمانی که تقویت‌کننده‌های امپدانس ورودی بسیار بالا، مهندسان را قادر به تقویت سیگنال‌های تولید شده توسط این کریستال‌ها کردند، کاربرد عملی نداشت.

مواد مختلفی را می توان برای ساخت حسگرهای پیزوالکتریک استفاده کرد، از جمله تورمالین، فسفات گالیم، نمک ها و کوارتز. اکثر برنامه های الکترونیکی از کوارتز استفاده می کنند، زیرا فناوری رشد آن به لطف توسعه کاربرد معکوس اثر پیزوالکتریک بسیار طولانی است. نوسان ساز کوارتز

حسگرهای مبتنی بر اثر پیزوالکتریک می توانند از نیروهای عرضی، طولی یا برشی کار کنند و به میدان های الکتریکی و تشعشعات الکترومغناطیسی حساس نیستند. پاسخ همچنین در محدوده دمایی گسترده بسیار خطی است و آن را به یک سنسور ایده آل برای محیط های ناهموار تبدیل می کند. به عنوان مثال، سنسورهای فسفات گالیم و تورمالین می توانند محدوده دمای کاری 1000 درجه سانتی گراد داشته باشند.

طراحی فیزیکی سنسور پیزوالکتریک به نوع سنسوری که می خواهید ایجاد کنید بستگی دارد. به عنوان مثال، پیکربندی یک سنسور فشار، یا یک حسگر ضربه (تکانشی)، یک جرم کوچکتر، اما شناخته شده از کریستال را در یک پیکربندی عرضی، با تغییر شکل بارگذاری در طول طولانی ترین مسیرها به یک پایه عظیم تر ترتیب می دهد. شکل 1). این اطمینان می دهد که فشار اعمال شده پایه را تنها از یک جهت بارگذاری می کند.

توده محدود سنسور پیزو

شکل 1: یک جرم محدود مجاز است تا حسگر کریستالی را در یک محور تغییر شکل دهد. این پیکربندی برای نیرو و فشار مناسب است.

یک شتاب سنج بر اساس اثر پیزوالکتریک، از یک جرم شناخته شده برای تغییر شکل بخش کریستالی حسگر در جهت مثبت یا منفی بسته به نیروی تحریک استفاده می کند (شکل 2). لازم به ذکر است که شما به یک مدول الاستیسیته شناخته شده در بستر سنسور نیاز دارید.

توده بدون محدودیت سنسور پیزو

شکل 2: از آنجایی که مدول الاستیسیته برای یک ماده زیرلایه شناخته شده است، جرم نامحدود اجازه دارد با ارتعاش حرکت کند و این نوع سنسور پیزوالکتریک را برای تشخیص شوک و ارتعاش ایده آل می کند.

طراحی با سنسورهای پیزوالکتریک

سنسورهای پیزوالکتریک هنگام اتصال به قطعات الکترونیکی حساس به برخی اقدامات احتیاطی نیاز دارند. اول از همه، سطوح ولتاژ ایجاد شده توسط شوک سخت می تواند بسیار بالا باشد، حتی در حدود 100 ولت.

به احتمال زیاد، یک آپمپ برای اتصال این سنسورها به مبدل A/D، چه گسسته یا روی یک میکروکنترلر، استفاده خواهد شد. یک نکته این است که یک آپ امپدانس ورودی بالا را برای به حداقل رساندن جریان انتخاب کنید. یکی از گزینه های احتمالی، آمپلی فایر دو عملیات ورودی JFET فناوری خطی است. دارای مقاومت ورودی 10¹² Ω و محصول افزایش پهنای باند 1 مگاهرتز است که به اندازه کافی خوب است تا بتواند دامنه ارتعاش سنسورهای پیزوالکتریک را به راحتی کنترل کند.

یکی دیگر از قطعات مناسب TLV2771 از Texas Instruments است. این آپمپ کم مصرف ریل به ریل همچنین دارای مقاومت ورودی دیفرانسیل 10¹² Ω و پهنای باند واحد افزایش 5 مگاهرتز است. تهویه سیگنال در یک مرحله می تواند ورودی سنسور شوک را مستقیماً به مبدل A/D آماده کند (شکل 3).

TI TLV2772

شکل 3: آمپرهای عملیاتی مانند TI TLV2772 دارای امپدانس های ورودی بالا هستند تا به حداقل رساندن جریان ورودی های بالقوه ولتاژ بالا از سنسورهای پیزوالکتریک کمک کنند.

مدارهای Op-amp را می توان برای کار در حالت ولتاژ یا حالت شارژ طراحی کرد. حالت شارژ زمانی استفاده می شود که تقویت کننده از راه دور به سنسور باشد. حالت ولتاژ زمانی استفاده می شود که تقویت کننده بسیار نزدیک به سنسور باشد.

نکته دیگر این است که سیگنال ورودی را تضعیف کنید و از بهره تقویت کننده عملیات برای رساندن به محدوده مورد نظر استفاده کنید. آگاه باشید

که ممکن است نیاز به محافظت در برابر ضربه زدن به ورودی های آپ امپ داشته باشید، به خصوص اگر طراحی ممکن است در معرض ضربه های شدید قرار گیرد.

همچنین توجه داشته باشید که ممکن است فکر کنید که یک سنسور فشار فقط یک ولتاژ مثبت تولید می کند، اما در واقعیت، سیگنال از سنسور می تواند زنگ بزند و ولتاژ منفی ایجاد کند (شکل 4). این بدان معناست که ممکن است لازم باشد سطوح ولتاژ منفی را در ورودی‌های آپمپ پایین بیاورید، مخصوصاً اگر فقط از یک منبع تغذیه ریلی روی آپ امپ استفاده کنید.

شوک می تواند باعث افزایش ولتاژ منفی شود.

شکل 4: هنگام استفاده از آپ امپ تک ریلی باید مراقب بود زیرا شوک می تواند باعث زنگ زدن ولتاژ منفی شود که در صورت عدم قطع شدن می تواند به ورودی های آپ امپ آسیب برساند.

قطعات برای طراحی

بسیاری از سنسورهای پیزوالکتریک خارج از قفسه به راحتی برای استفاده در طرح های شما در دسترس هستند. نمونه ای از آن Parallax 605-00004 است که یک سنسور تب ویبره پیزو است که می تواند به عنوان یک سوئیچ یا به عنوان یک سنسور لرزش عمل کند (شکل 5). یک لایه لایه پلیمری از کنتاکت های چین دار استفاده می کند و دارای حساسیت 50 میلی ولت بر گرم است.

سنسورهای پیزوالکتریک فیلم پلیمری انعطاف پذیر

شکل 5: حسگرهای پیزوالکتریک فیلم پلیمری پلیمری LDTO با سوراخ انعطاف‌پذیر می‌توانند به سختی نصب شوند یا شناور شوند تا فشار، ضربه یا لرزش را تشخیص دهند.

باید توجه داشته باشید که افزودن جرم به یک سنسور پیزوالکتریک می تواند فرکانس تشدید آن و همچنین حساسیت خط پایه آن را تغییر دهد. بسیاری از سنسورهای پیزوالکتریک مانند 605-00004 مشخص می شوند که از این طریق استفاده می شوند و جداول و نمودارهای پشتیبانی را ارائه می دهند (شکل 6).

بارگذاری یک سنسور با جرم، فرکانس تشدید و حساسیت آن را تغییر می دهد

شکل 6: بارگذاری یک سنسور با جرم، فرکانس تشدید و حساسیت آن را به روشی قابل پیش بینی و تکرار تغییر می دهد.

بخش دیگری که باید در نظر گرفته شود سنسور فیلم پیزو کنسولی 0-1002794-0 Measurement Specialties است. این همچنین یک سنسور تب ویبره است که می‌تواند به سختی روی سطح نصب شود، در یک محور اینرسی شناور باشد، یا جرمی که برای پربیاس‌ها و کالیبره کردن بارگذاری می‌شود. نوسانات ولتاژ خروجی می توانند مستقیماً ورودی FET یا CMOS را قطع کنند و با جبران مرکز جرم می توان پاسخ چند محوری را به دست آورد.

استفاده های دیگر

علاوه بر حس کردن لرزش و شوک، می توان از دستگاه پیزوالکتریک برای استخراج انرژی محیط نیز استفاده کرد. به عنوان مثال Mide V22BL را در نظر بگیرید که یک سنسور پیزوالکتریک مهر و موم شده است که قادر به تشخیص ارتعاشات 26 تا 100 هرتز است.

می توان آن را با استفاده از دیتالاگر VR001 شرکت ارزیابی کرد که یک دیتالاگر قابل شارژ قابل حمل است که می تواند شتاب و لرزش را در سه محور اندازه گیری کند (شکل 7). به عنوان یک دستگاه جانبی USB، می توان آن را پیکربندی کرد و داده های آن را به رایانه شخصی یا دستگاه میزبان USB دیگر منتقل کرد. همچنین می توان از آن برای کمک به توسعه طرح های خود بر اساس سنسورهای پیزوالکتریکی که انتخاب می کنید استفاده کرد.

دوشاخه USB در حسگر سه محوره

شکل 7: فیش USB در حسگر سه محوره می تواند به عنوان ابزار توسعه و ابزار ارزیابی هنگام یادگیری یا شروع یک طراحی جدید استفاده شود.

در نهایت، قبل از انتخاب یک سنسور پیزوالکتریک برای عملکرد ضربه یا ارتعاش، معیارهای خاص برنامه مورد نظر خود را ارزیابی کنید (ما در اینجا چند نمونه ارائه کرده ایم)، سپس، مدتی را با برگه های اطلاعات سازنده اختصاص دهید و از پیوندهای بالا برای دریافت اطلاعات بیشتر استفاده کنید. اطلاعات از صفحات محصول و فناوری در وب سایت کد نامبر.