الحساسات : جهاز الـ Piezoelectric Accelerometer

جهاز الـ Piezoelectric Accelerometer

بنيت أفضل أنواع الـ accelerometers باستخدام piezoelectric crystal وهي مادة ينسب تغير شكلها deformation في تكوين شحنة عبر البلورة . بعملية عكسية فإن تسليط مجال كهربي علي المادة البيزوكهربية ينتج تشوه الشكل . من الشكل يتضح أن جهاز الـ piezoelectric accelerometer يتكون من بللورة تلامس كتلة مثبتة في يأي داخل غرفة housing . يوضح الشكل أحد أجهزة الـ piezoelectric accelerometers المتاح تجارياً . بالإضافة إلي خواص الكبت الطبيعية الموجودة أصلا في البلورة , أحياناً تضاف وسائل كبت أخري مثل ( ملأ غرفة الجهاز بالزيت ) عند تعرض الجسم object لعجلة فإن إزاحة نسبية تحدث بين غلاف الغرفة والكتلة نتيجة القصور الذاتي للكتلة . يسبب الإنفعال strain الناتج في البللورة أن الـ accelerometer الذي يستخدم البلورة البيزوكهربية لا يحتاج إلي مصدر قدرة خارجي , أيضاً , من المهم إدراك أن الـ accelerometer يقيس العجلة فقط في إتجاه محور اليأي والكتلة والبلورة .

تنتج مادة البيزوكهربية خرج كبير بالنسبة لحجمها من المواد البيزوكهربية : " Quartz " , '' Rochelle salt '' , '' Tourmaline'' بعض مواد الـ crystalline يمكن أن تستقطب صناعياً لتكتسب الخواص البيزوكهربية وذلك عن طريق التسخين ثم التبريد ببطئ في مجال كهربي قوي . من هذه المواد ''barium titanate'' و ''lead zirconate(PZT)'' و ''lead titanate'' و ''leadmetaniobate'' . هذه المواد سيراميكية فيروكهربية ferroelectric Ceramics وكثير ما تستخدم في الـ accelerometers لأنه يمكن التحكم في حساسيتها أثناء التصنيع .

يوضح الشكل الدائرة المكافئة البسيطة للبلورة البيزوكهربية , وتشير هذه الدائرة أن البللورة شكل تناظر مكثف ومصدر شحنه Q لتوليد شحنه علي لوحي المكثف , تتناسب مع نشوة البلورة . عن طريق تمثيل الـ accelerometer بدائرة ثفنن المكافئة ( أنظر الشكل ) , فإن جهد الدائرة المفتوحة V يساوي الشحنة مقسومة علي سعة المكثف , أي أن :

 

إن حساسية الـ accelerometer هي نسبة خرج الشحنة إلي العجلة ومعبر عنها في الصورة pC/g ( القيمة العظمي أو الفعالة للـ pC ) , حيث g هي العجلة نتيجة الجاذبية يوصل خرج الـ accelerometer بمكبر الشحنة charge amplifier , الذي يقوم بتحويل الشحنة الإزاحية التي علي البلورة إلي جهد يمكن قياسه . يتم معايرة معظم الـ accelerometer بالمللي فولت لكل g لمكبر شحنة معين .

عموماً لا يمكن للـ piezoelectric accelerometers أن تقيس تغيرات العجلة البطيئة أو العجلة الثابتة , حيث يمكن للبلورة أن تقيس تغير القوة فقط وذلك باستشعار تغير في الانفعال strain . لكنها ممتازة بالنسبة للقياسات الديناميكية مثل الإهتزازات والتصادمات . يحد الإستجابة عند الترددات المنخفضة انخفاض تردد cutoff لمكبر الشحنة والذي يصل لقدر ضئيل من Hertz , أما الإستجابة عند الترددات العالية فهي دالة للخواص الميكانيكية للـ accelerometer . المدي الديناميكي للـ accelerometer يتراوح من عدة Hertz قليلة إلي كسر من تردد الرنين , أي أن :

في العادة يكون في نطاق الـ KHZ يبين الشكل منحني استجابة ترددية نموذجي لـ piezoelectric accelerometer .