طراحی و شبیه سازی حسگر نیروی دو حالته کوارتزی

Abstract

کریستال کوارتز از جمله مواد پیزوالکتریک است و با اعمال ولتاژ الکتریکی متناوب، میتوان در این کریستال ارتعاش مکانیکی ایجاد کرد. فرکانس طبیعی این ارتعاش به با اعمال تنش و تغییر دمای کریستال تغییر میکند. به همین علت از این کریستال در ساخت انواع نیرو سنج ها و حسگر های دمایی استفاده می شود. در این مقاله یک حسگر نیروی دیجیتال بر اساس اثر نیرو-فرکانس در کریستال کوارتز AT-Cut طراحی و شبیه سازی شده است. این حسگر در دو مود کاری قابل فعال سازی است. در مود اول، حساسیت حسگر نسبت به نیرو بیشینه است. در مود دوم خطای دمایی حسگر کاهش می یابد. خروجی حسگر نیرو با ترکیب روش المان محدود و مدل سازی ریاضی بدست آمده است. جهت ارزیابی مدل از مطالعات تجربی پیشین در باره ضریب نیرو فرکانس بهره گرفته شده است. همچنین اثر زوایای اعمال نیرو و طول لبه تکیه گاه اعمال نیرو بر خطای دمایی حسگر و حساسیت آن در هر دو مود کاری بررسی شده است. خروجی حسگر در بازه دمایی صفر الی صد درجه سانتیگراد بدست آمده است. حسگر دو حالته طراحی شده، امکان افزایش تفکیک (resolution) و میزان دقت اندازه گیری نیرو را در دمای اتاق و کاهش خطای اندازه گیری (accuracy) در دماهای غیر دمای اتاق را می دهد.