کتاب سنسورهای پیزوالکتریک

کتاب سنسورهای پیزوالکتریک به قلم گوستاف گاوچی، با هدف ارائه‌ی یک دید وسیع از این سنسورها، ویژگی‌ها و کاربردهای عملی آن‌ها نوشته شده است.

سنسورها کلید زندگی و موفقیت تکنولوژی مدرن هستند. طبیعت، مخلوقات زنده را با سنسورهای بسیاری برای مؤلفه‌های مورد اندازه‌گیری گوناگون ایجاد کرده است، مانند سنسورهای نور، صدا، دما، سرعت، حرکت، فاصله، نیرو، فشار، شتاب، رایحه و غیره که هنوز کارایی و مشخصات آن‌ها با ابزارهای ساخت بشر منطبق نشده‌اند. حتی امروزه با سطح بالای تکنولوژیِ اطلاعات و الکترونیک، سنسورها نیازمند یک رابط بسیار مهم و تعیین کننده برای تبدیل پدیده‌های محیطی به سیگنال‌های الکتریکی متناظر هستند که می‌تواند برای دستیابی به اطلاعات مطلوب و واکنش صحیح سیستم‌ها پردازش شوند.

اگر چه مطالب در زمینه سنسورها بسیار گسترده هستند، اما نوعی از سنسورها وجود دارد که توجه کمتری به آن شده است: سنسور پیزوالکتریک. متأسفانه اطلاعات و توضیحات ارائه شده مربوط به سنسورهای پیزوالکتریک در کتابچه‌های راهنمای اندازه‌گیری، بسیار مختصر و محدود هستند. در حالت خاص، پیش داوری‌ها و حتی تصورات غلطی در مورد سنسورهای پیزوالکتریک از سال‌ها قبل وجود دارد؛ همانند: سنسورهای پیزو الکتریک تنها برای معیارهای دینامیکی قابل استفاده و معمولاً محدود به اندازه‌گیری ارتعاش هستند. تجربه عملی در طول سی سال ارتباط نزدیک با کاربرهای بی‌شمار سنسورها در سراسر دنیا، بارها و بارها این مطلب را تائید کرده که حقیقتا یک کاستی عظیم در حیطه‌ی درک کامل ماهیت سنسورها و کاربرد آن‌ها به طور آکادمیک و هم‌چنین صنعتی وجود دارد.

گوستاف گاوچی (Gustav Gautschi) در کتاب سنسورهای پیزوالکتریک (Piezoelectric sensorics) به نحوه‌ی ساخت این سنسورها نپرداخته، بلکه ویژگی‌ها و رفتار آن‌ها را مورد بررسی قرار داده و برای هر نوع سنسور نیز، برخی کاربردهای رایج را توصیف کرده است.

فصل اول کتاب، یک مقایسه اجمالی بین اصول عملکرد سنسورهای پیزوالکتریک، دیگر سنسورها و قابلیت‌های ارائه شده را نشان می‌دهد. زمینه تاریخی پر رنگ شده در فصل دوم تعدادی از حقایق جالب را توصیف می‌کند که در کل به خوبی شناخته نشده‌اند. مواد پیزوالکتریک و خواص فیزیکی آن‌ها که اکنون در سنسورها استفاده می‌شوند، در فصل سوم ارائه شده است. فصل چهارم در مورد یک موضوع مهم اما معمولاً نادیده گرفته شده، یعنی اصطلاح‌شناسی تعاریف صحیح و مقایسه‌ی مشخصات سنسورهاست.

فصل پنجم دیدگاهی از طراحی اصلی سنسورها و قسمت‌های مختلف آن‌ها ارائه می‌کند. سنسورهای مرتبط با کمیت‌های نیرو، کرنش، فشار، شتاب و انتشار صوت در فصل‌های 6 تا 10 ارائه شده است. این فصل‌ها به خوبی توصیف شده‌اند تا کاربردهای بسیار وسیع سنسورهای پیزوالکتریک برای خواننده بیان شود. در نهایت فصل یازدهم در مورد تقویت کننده‌های استفاده شده با سنسورهای پیزوالکتریک و ماهیت ویژه آن‌هاست.

در بخشی از کتاب سنسورهای پیزوالکتریک می‌خوانیم:

سنسورهای پیزوالکتریک با دارا بودن یک عنصر هدایت ساخته شده از ماده‌ی پیزوالکتریک شناخته می‌شوند. آن‌ها به این علت سنسورهای فعال خوانده می‌شوند که به انرژی خارجی برای به دست آوردن سیگنال خروجی نیاز ندارند.
در اغلب سنسورهای انفعالی، تفاوتی واضح میان عنصر سنجش و عنصر هدایت وجود دارد. در سنسورهای پیزوالکتریک، عنصر سنجش و عنصر هدایت معمولاً یکی هستند.

در یک سنسور نیروی پیزوالکتریک، اندازه‌گیری شونده از طریق بخش‌های فلزی مستحکم به عنصر هدایت منتقل می‌شود. تنش مکانیکی از طریق اثر پیزوالکتریک باعث قطبی شدن عنصری می‌شود که به یک بار الکتریکی متناسب به عنوان خروجی دست می‌یابد.

معمولاً سنسورهای فشار دارای یک دیاگرام (به عنوان عنصر سنجش) هستند که فشار سیال را به عنصر هدایت ارسال می‌کند. در یک سنسور با طراحی خوب، ناحیه‌ی مؤثر دیاگرام ثابت است و بنابراین نیروی ارسالی به عنصر هدایت با فشار اعمال شونده تناسب دارد. این نیرو مجدداً به یک بار الکتریکی متناسب تبدیل می‌شود.

سنسورهای شتاب به صورت پایه‌ای سنسورهایی هستند که جرمی تحت عنوان جرم لرزه‌ای به آن‌ها متصل می‌شود. این جرم در زمان شتاب، به خاطر اینرسی که دارد نیرویی را به سنسور اعمال می‌کند. جرم لرزان و نیرو ثابت بوده و خروجی سنسور به صورت یک بار الکتریکی بوده و طبق قانون دوم نیوتن متناسب با شتاب اعمال شونده می‌باشد.

فشار و شتاب اندازه‌گیری شونده‌ها به شکل نیرو محاسبه می‌شود و سنسور نیرو یک سنسور پایه است. سنسورهای فشار، شتاب و کشش تنها طرح‌هایی خاص از سنسورهای نیرو می‌باشند.