معرفی و دانلود کتاب سنسورهای پیزوالکتریک

معرفی 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.

فهرست مطالب کتاب

فصل اول: مقدمه
فصل دوم: پس‌زمینه‌ی سنسورهای پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریسیته مستقیم و معکوس
کشف اثر پیزوالکتریسیته
کاربردهای اثر پیزوالکتریسیته معکوس
تاریخچه‌ی سنسورهای پیزوالکتریسیته
فصل سوم: مواد پیزوالکتریک برای سنسورها
الزامات مواد پیزوالکتریک برای سنسورها
کوارتز
انتخاب سیستم مختصات
مشخصات فیزیکی
بلورهای کوارتز مصنوعی
جفت شدن
جلوگیری از جفت شدن ثانویه
وابستگی دمایی ثابت‌های پیزوالکتریک
مشخصات الکترومکانیکی غیرخطی کوارتز α
مشخصات پیزوالکتریک کوارتز β
گالیم اورتوفسفات
بلورهای گروه CGG
دیگر تک بلورهای پیزوالکتریک
بافت‌های پیزوالکتریک
سرامیک‌های پیزوالکتریک
پیزوالکتریسیته در نوارهای باریک
فصل چهارم: اصطلاحات سنسور پیزوالکتریک
معانی مربوط به سنسور
مشخصات سنسورها
مشخصات استاتیکی
مشخصات دینامیکی
مشخصات الکتریکی
اثرات نصب سنسور
عمر یک سنسور
تداخل صوتی
فصل پنجم: سنسورهای پیزوالکتریک
مقدمه
مشاهدات پایه‌ای در رابطه با اندازه‌گیری نیرو
طرح اصلی یک سنسور
بررسی کلی طرح‌های عملی سنسورها
اجزای سنسور
عناصر هدایت
الکترودها
مواد عایق
عناصر پیش بارگذاری
پایه‌های سنسور
اتصالات
فصل ششم: سنسورهای نیرو و گشتاور
اندازه، واحدهای اندازهگیری و سیستم‌های ‌مختصات
سنسورهای نیرو
سنسورهایی برای نیروهای فشاری
سنسورهای نیروی فشاری خطی
اندازه‌گیری نیروی کششی به وسیله سنسورهای نیرو با بارگذاری اولیه
سنسورهای نیروی چند مؤلفه‌ای
سنسورهای گشتاور
تداخل در سنسورهای نیروی یک مؤلفه‌ای و چند مؤلفه‌ای
نصب سنسورهای نیرو
اندازه‌گیری نیرو و مومنت (مؤلفه)
کالیبراسیون سنسورهای نیرو
فصل هفتم: سنسورهای کرنش
کمیت و واحدهای اندازه‌گیری
اصول کارکرد سنسورهای پیزوالکتریک کرنشی
سنسورهای کرنشی سطحی
پین‌های کرنشی برای کرنش‌های داخلی
سنسورها (پین‌های) کرنشی طولی
پین‌های کرنشی عرضی
سنسورهای کرنشی در جهت مناسب
گیج‌های کرنشی پیزوالکتریک
سنسورهای کرنشی چند محوره
کالیبراسیون سنسورهای کرنشی پیزوالکتریک
فصل هشتم: سنسورهای فشار
کمیت‌ها و واحد‌های اندازه‌گیری
طراحی سنسورهای فشار پیزوالکتریک
سنسورهای فشار پایین
سنسورهای فشار برای کاربردهای عمومی
سنسورهای با فشار بالا
سنسورهای فشار با جبرانسازی شتاب
سنسورهای فشار برای دمای بالا
سنسور فشار سیلندر در موتورهای احتراق داخلی
سنسورهایی برای فشار حفره در فرآیندهای پلاستیک و ریختهگری فلزات
کالیبراسیون سنسورهای فشار
فصل نهم: سنسورهای شتاب
کمیت و واحدهای اندازه‌گیری
مشخصات اساسی سنسورهای شتاب
طراحی سنسورهای شتاب پیزوالکتریک
مشخصه‌های سنسورهای با سرامیک پیزوالکتریک یا المان‌های تورمالین
سنسورهای شتاب با حساسیت بالا
سنسورهای شتاب برای کاربردهای عمومی
سنسورهای شتاب برای اندازه‌گیری شوک
سنسورهای شتاب برای دمای بالا
سنسورهای شتاب برای دماهای پایین
سنسورهای شتاب برای تحلیل مودال
سنسورهای شتاب محوری
کالیبراسیون سنسورهای شتاب
فصل دهم: سنسورهای انتشار صوت
کمیت و واحدهای سنجش
سابقه AE به عنوان پارامتر فرایند
طراحی سنسورهای AE
سنسورهای AE برای نظارت بر فرایند
سنسورهای AE به کار رفته در فلزکاری
سنسورهای AE برای آزمایش‌ها غیر مخرب
کالیبراسیون سنسورهای AE
فصل یازدهم: تقویت کننده‌های سنسورهای پیزوالکتریک
کمیت و واحدهای سنجش
اصول اندازه‌گیری بار الکتریکی
سنسور پیزوالکتریک به عنوان بک خازن فعال
تخلیه یک خازن، ثابت زمانی، مقاومت عایق
حد پایین فرکانس مدار RC
نقطه صفر یک سنجش
تقویت‌کننده الکترومتر ایده آل
تقویت‌کننده الکترومتر واقعی
تقویت‌کننده بار ایده آل
تقویت‌کننده بار واقعی
تنظیم حساسیت، مقیاس و بازه سنجش
حد پایین فرکانس یک تقویت‌کننده بار
بازنشانی و انتخاب صفر یک تقویت‌کننده بار
حد بالای فرکانس یک تقویت‌کننده بار
سنجش شبه ایستا، پایداری و انحراف
تأثیر سیم‌ها
ویژگی‌های مراحل ورودی استفاده شونده
جفت شدگی خازنی برای سنجش در دمای بالا
محافظت از MOSFET در ورودی از بارگذاری بیش از حد
اتصال چندین سنسور به یک تقویت‌کننده
سیم‌ها و متصل‌کننده‌ها
کالیبراسیون تقویت‌کننده‌های بار