سنسور پیزو الکتریکی فشار چیست؟

واژه پیزو برگرفته از کلمه یونانی پیزین به معنی فشردن است. ماده پیزوالکتریک در اثر اعمال فشار و تولید تنش (استرس) در ساختار داخلی اش، میدان الکتریکی تولید می کند. تولید این میدان به دلیل تحریک دو قطبی های موجود در ساختار ماده پیزوالکتریک است. این پدیده در برخی سرامیک ها و پلیمرها وجود دارد. بدین ترتیب با اعمال فشار به یک ماده پیزوالکتریک و اندازه گیری میدان یا ولتاژ الکتریکی ایجاد شده توسط آن می توان فشار اعمالی را اندازه گیری نمود.

نمایش ساختار سنسور فشار مبتنی بر کریستال پیزوالکتریکی

علاوه بر مواد پیزو الکتریک از مقاومت های پیزو نیز به طور گسترده در تولید سنسورهای فشار استفاده می شود. مقاومت های پیزو یا پیزو رزیستورها، المان هایی هستند که در اثر اعمال فشار به آنها مقاومتشان تغییر می کند. این اثر اولین بار توسط لورد کلوین در سال 1856 کشف شد. مطابق یافته های کلوین، مقاومت سیم های مسی و آهنی هنگام تنش افزایش می یابد. وی همچنین دریافت که سیم های آهنی نسبت به سیم های مسی تغییر بیشتری در مقاومت پیزویی دارند. اولین کاربرد اثر مقاومت پیزو سال 1930 یعنی 75 سال بعد از کشف کلوین نمایان شد. بدین ترتیب اثبات شد که با  استفاده از سیم های فلزی (به اصطلاح گیج هایی از سیم پیچ های فلزی نازک که بر روی یک فیلم قرار داده می شوند و می توان آنها را بر روی یک سطح چسباند) می توان میزان کشش را اندازه گیری نمود. نمونه یک استرین گیج فلزی در شکل زیر نشان داده شده است.

نمایش ساختار سنسور فشار مبتنی بر مقاومت پیزو یا پیزورزیستور

وقتی یک ماده الاستیک در معرض نیروی اعمالي در امتداد محورش قرار می گیرد، در راستای عمود بر محور تغییر شکل می دهد. برای مثال اگر یک بلوک مستطیلی در امتداد طولش کشیده شود، ضخامتش کاهش می یابد. به عبارت دیگر تنشِ کششی در امتداد طول، کرنشِ تراکمی در مسیرهای عمود بر آن را نتیجه خواهد داد. این کرنش های محوری و انتقالی با هم اختلاف خواهند داشت كه به نسبت میان آن دو، نسبت پواسون (v) می گویند. بیشتر مواد کشسان دارای نسبت پواسن حدود 0.3 هستند. (برای سیلیسیوم این مقدار 0.22 است). نمونه اثر اعمال فشار و تغییر کرنش در شکل زیر نمایش داده شده است.

تغییر کرنش در اثر اعمال فشار باعث تغییر مقدار مقاومت پیزویی می شود