ما هي المواد المستخدمة في أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية؟

قائمة المحتوى

● مقدمة للمواد الكهروإجهادية

● مواد كهروضوئية في أجهزة استشعار التوتر

>> 1. السيراميك الكهروضوئي (PZT)

>> 2. مواد أحادية البلورة (الكوارتز ، فوسفات الغاليوم)

>> 3. المواد البوليمرية (PVDF)

● تطبيقات أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية

● اعتبارات تصميم أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية

● التحديات والقيود

● التطورات المستقبلية

● خاتمة

● الأسئلة الشائعة

>> 1. ما هو تأثير كهرضغطية؟

>> 2. ما هي المواد التي تستخدم عادة في أجهزة استشعار كهروضوئية؟

>> 3. ما هي حدود أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية؟

>> 4. كيف يتم استخدام أجهزة استشعار كهروضوئية في التطبيقات الصناعية؟

>> 5. ما هي الاتجاهات المستقبلية في أبحاث المواد الكهروإجهادية؟

● الاستشهادات:

أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية عبارة عن أجهزة تقوم بتحويل الإجهاد الميكانيكي إلى إشارات كهربائية ، وتستفيد من تأثير كهروضوئية. تحدث هذه الظاهرة في المواد التي تولد شحنة كهربائية استجابة للتشوه الميكانيكي ، مثل الضغط أو الضغط. يعد اختيار المواد لهذه المستشعرات أمرًا بالغ الأهمية لأنه يحدد حساسيتها ومتانةها ونطاق التشغيل. في هذه المقالة ، سوف نستكشف المواد المختلفة المستخدمة في أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية ، وخصائصها ، والتطبيقات.

مقدمة للمواد الكهروإجهادية

يمكن تصنيف المواد الكهروضوئية على نطاق واسع إلى ثلاثة أنواع رئيسية: البلورية والسيراميك والبوليمري. كل نوع له خصائص وتطبيقات فريدة.

- المواد البلورية: وتشمل هذه المواد الطبيعية مثل الكوارتز والتورمالين ، والتي تم استخدامها تاريخيا بسبب خصائصها الكهروإجهادية. ومع ذلك ، فهي أقل حساسية مقارنة بالمواد الخزفية ولكنها توفر استقرارًا أفضل على المدى الطويل.

- مواد السيراميك: السيراميك الكهروضوئي الأكثر شيوعًا هي الرصاص الزركونيت تيتانيت (PZT) ، وتيتانات الباريوم ، وتيتانيت الرصاص. هذه المواد لها حساسية عالية وتستخدم على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار والمشغلات. ومع ذلك ، فهي هشة ولها درجة حرارة كوري أقل ، مما يحد من استخدامها في تطبيقات درجة الحرارة العالية.

- المواد البوليمرية: تقدم البوليمرات مثل فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) مرونة ويمكن تشكيلها بسهولة في أشكال مختلفة. لديهم معامل يونغ السفلي مقارنة بالسيراميك ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب حساسية عالية الجهد.

مواد كهروضوئية في أجهزة استشعار التوتر

تستخدم مستشعرات التوتر الكهروضوئية هذه المواد لقياس الإجهاد أو التوتر في الهياكل. يقوم المستشعر بتحويل الإجهاد الميكانيكي إلى إشارة كهربائية ، والتي تتم معالجتها بعد ذلك لتوفير معلومات حول القوة المطبقة.

1. السيراميك الكهروضوئي (PZT)

- يستخدم السيراميك PZT على نطاق واسع في أجهزة استشعار كهروضوئية بسبب حساسيتها العالية وسهولة التصنيع. يمكن تشكيلها في أشكال وأحجام مختلفة ، مما يجعلها متعددة الاستخدامات لتطبيقات مختلفة.

- تحتوي السيراميك PZT على ثابت كهرضغطية عالية ، وهو أمر ضروري لتحويل الإجهاد الميكانيكي إلى إشارات كهربائية بكفاءة. ومع ذلك ، فإن حساسيةها تتحلل بمرور الوقت ، وخاصة في درجات الحرارة العالية.

2. مواد أحادية البلورة (الكوارتز ، فوسفات الغاليوم)

توفر مواد البلورة الواحدة مثل الكوارتز والفوسفات غاليوم الاستقرار على المدى الطويل وأقل حساسية للتغيرات في درجات الحرارة مقارنة بالسيراميك PZT. إنها مثالية للتطبيقات التي تتطلب قياسات دقيقة على مدار الفترات الممتدة.

3. المواد البوليمرية (PVDF)

PVDF هو بوليمر مرن يمكن استخدامه في التطبيقات التي تتطلب حساسية عالية الجهد وتصلب ميكانيكي منخفض. إنه مناسب للكشف عن biosignals ويمكن دمجه في أجهزة يمكن ارتداؤها.

تطبيقات أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية

تجد أجهزة استشارات التوتر الكهروضوئية تطبيقات في مختلف الصناعات بسبب قدرتها على قياس التغيرات الديناميكية في الإجهاد الميكانيكي بدقة.

- الفضاء والسيارات: تستخدم في تحليل الاهتزاز وأنظمة قياس الضغط.

- الأجهزة الطبية: تعمل في التصوير بالموجات فوق الصوتية والكشف الحيوي.

- العمليات الصناعية: تستخدم لمراقبة الضغط والاهتزاز في الآلات.

اعتبارات تصميم أجهزة استشعار التوتر الكهروضوئية

عند تصميم مستشعرات التوتر الكهروإجهادي ، يجب النظر في عدة عوامل:

- اختيار المواد: يؤثر اختيار المواد على حساسية المستشعر ونطاق درجة حرارة التشغيل والمتانة.

- هندسة المستشعر: يؤثر شكل وحجم المستشعر على خصائصه الميكانيكية والإخراج الكهربائي.

- تكييف الإشارة: مطلوب إلكترونيات خارجية لتضخيم ومعالجة الإشارة الكهربائية التي تم إنشاؤها بواسطة المستشعر.

التحديات والقيود

على الرغم من مزاياها ، فإن أجهزة استشعار التوتر الكهروإجهادية لديها بعض القيود:

- حساسية درجة الحرارة: يمكن أن يختلف ناتج مستشعرات Piezoelectric مع درجة الحرارة ، مما يتطلب تعويضًا حراريًا في بعض التطبيقات.

- قياسات ثابتة: أجهزة استشعار كهرضغطية ليست مناسبة للقياسات الثابتة بسبب تسرب الشحن مع مرور الوقت.

- مقاومة عالية: هناك حاجة إلى إلكترونيات متخصصة للتعامل مع المعاوقة العالية لهذه المستشعرات.

التطورات المستقبلية

البحوث مستمرة لتطوير مواد كهروضوئية جديدة مع خصائص محسنة ، مثل الحساسية العالية والاستقرار. يتم استكشاف السيراميك الخالي من الرصاص والبوليمرات المتقدمة لإمكاناتها في استشعار تطبيقات.

خاتمة

أجهزة استشارات التوتر الكهروضوئية هي أجهزة متعددة الاستخدامات تستفيد من التأثير الكهروإجهادي لقياس الإجهاد الميكانيكي. يعد اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية ، حيث تتراوح خيارات من السيراميك PZT إلى مواد وحيدة أحادية البلورة مثل PVDF. تقدم كل مادة مزايا فريدة ومناسبة لتطبيقات مختلفة. مع تقدم التكنولوجيا ، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من الابتكارات في المواد الكهروإجهادية وتطبيقاتها.

الأسئلة الشائعة

1. ما هو تأثير كهرضغطية؟

التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة حيث تولد بعض المواد شحنة كهربائية استجابة للإجهاد الميكانيكي ، مثل الضغط أو الضغط.

2. ما هي المواد التي تستخدم عادة في أجهزة استشعار كهروضوئية؟

وتشمل المواد الشائعة السيراميك PZT والكوارتز والفوسفات الغاليوم وبوليمرات PVDF. كل مادة لها مجموعة من الخصائص والتطبيقات الخاصة بها.

3. ما هي حدود أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية؟

أجهزة الاستشعار الكهروضوئية ليست مناسبة للقياسات الثابتة بسبب تسرب الشحن ، حساسة للتغيرات في درجات الحرارة ، وتتطلب إلكترونيات متخصصة بسبب مقاومة عالية.

4. كيف يتم استخدام أجهزة استشعار كهروضوئية في التطبيقات الصناعية؟

يتم استخدامها لتحليل الاهتزاز ، وقياس الضغط ، ومراقبة صحة الآلات في الصناعات مثل الفضاء والسيارات والتصنيع.

5. ما هي الاتجاهات المستقبلية في أبحاث المواد الكهروإجهادية؟

تركز الأبحاث على تطوير السيراميك الخالي من الرصاص ، وتحسين استقرار المواد ، واستكشاف تطبيقات جديدة في حصاد الطاقة وتقنيات الاستشعار المتقدمة.

الاستشهادات:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/piezoelectric_sensor

[2] https://catalogue.meggittsensing.com/shop/sensors-and-signal-conditioners/dynamic-pressure-sensors

[3]

[4] https://www.youtube.com/watch؟v=dv-lsgibau0

[5] https://www.electronicsforu.com/technology-trends/learn-electronics/piezoelectric-sensor-basics

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/list_of_piezoelectric_materials

[7]

[8] https://catalogue.meggittsensing.com/shop/sensors-and-signal-conditioners/dynamic-pressure-sensors/cp103-piezoelectric-pressure-transducer/

[9] https://www.youtube.com/watch؟v=jorvcys5pb8

[10] https://www.piezoskin.com/en/piezoelectric-applications-sensors

[11] https://www.murata.com/products/sensor/picoleaf

[12] https://www.youtube.com/watch؟v=xoomtait3kg

[13] https://my.avnet.com/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/core-technologies/piezoelectric/

[14] https://navapadol.files.wordpress.com/2016/01/chapter-02-02.pdf

[15]

[16] https://www.te.com/en/product-cat-pfs0006.html

[17] https://www.kistler.com/int/en/piezoelectric-pressure-sensor/c00000138

[18] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100864

[19] https://www.ti.com/lit/an/sloa033a/sloa033a.pdf

[20] https://www.mdpi.com/1424-8220/23/1/543

[21] https://www.americanpiezo.com/blog/how-piezoelectric-sensors-work/

[22] https://www.strainsense.co.uk/sensors/pressure-sensors

[23] https://www.shutterstock.com/search/piezoelectric-sensor

[24] https://www.youtube.com/watch؟v=yqvidzi8_lk

[25] https://stock.adobe.com/search؟k=piezoelectric

[26] https://www.youtube.com/watch؟v=70CC210UI_O

[27]

[28] https://www.youtube.com/watch؟v=3yclafsxyee

[29] https://www.variohm.com/news-media/technical-blog-archive

[30]

[31] https://www.youtube.com/watch؟v=6xhjyqreznm

[32]