برخي کریستال ها و سرامیک های خاص با قرار گرفتن در معرض تغییرات حرارتی ، بارالکتریکی تولید می کنند که به این پدیده اثر “پیرو الکتریک” گفته می شود .
بلورهاي پيروالكتريك به بلورهاي فروالكتريكي مربوطند كه نامتقارن مركزي هستند و يك قطبش خود به خود Ps را بروز مي دهند . برخلاف فروالكتريك ها جهت Ps نمي تواند بوسيله ميدان الكتريكي اعمال شده كه آن معمولا وابسته به دماست ، معكوس شود: ∆Ps = л ∆T
Л ضريب پيروالكتريك است زيرا انبساط گرمايي ، اندازه ( طول ) دوقطبي ها را تغيير مي دهد .
معمولا مولكول هاي ناخالصي قطبي براي خنثي كردن بارهاي سطحي رو بلورها جذب مي شوند در نتيجه اثر پيروالكتريك در يك بلور تحت شرايط دمايي ثابت قابل آشكار سازي نيست ، بلكه فقط وقتي كه بلور گرم ميشود و Ps تغيير مي كند مي توان آن را ظاهر كرد.
بلور هاي پيرو الكتريك اساسا در آشكارسازهاي تابش فروسرخ به كار مي روند. آنها را مي توان با اندودن سطح كاوش گر بلوري با ماده جاذب مناسب از لحاظ طيفي حساس كرد. براي آشكارسازها بهتر آن است كه
έ/ л را به حداكثر رسانيد؛ يعني فروالكتريك هاي با ثابت دي الكتريك كوچك مناسب است . مهمترين ماده آشكارساز تا اين زمان (1996) تري گلي سين سولفات است .
رابطه مابين فرو-، پيزو- و پيروالكتريسيته
سه خاصيت به آثار قطبش در بلورها مربوطند و با هم ارتباط دارند. مواد بسياري در رده كلي دي الكتريك ها قرار مي گيرند؛ كه خواص و بخصوص خواص الكتريكي شان تحت تاثير ميدان هاي الكتريك قرار مي گيرند؛
پيزو الكتريك ها رده فرعي از دي الكتريك ها هستند. پيزوالكتريك ها وقتي تحت تنش مكانيكي قرار گيرند بار الكتريكي بروز مي دهند؛ برعكس پيزوالكتريك ها تحت اعمال ميدان الكتريكي تنشهاي مكانيكي بروز مي دهند.
پيروالكتريك ها رده فرعي از پيزوالكتريك ها هستند. اين مواد خود به خود قطبي مي شوند و بنابرين يك گشتاور دو قطبي خالص بروز مي دهند. بعضي از مواد پيروالكتريك، فرو الكتريك هم هستند، زيرا قطبش خود به خود مي تواند تحت اعمال يك ميدان الكتريكي معكوس شود. بنابراين مواد فروالكتريك هم پيرو- و هم پيزوالكتريك اند. بعلاوه مواد پيروالكتريك هم پيزوالكتريك هستند؛ ولي عكس آن صادق نيست يعني تمام پيزو الكتريك ها نمي توانند پيروالكتريك باشند وغيره
اندازه گيري ضريب پيروالكتريك
اندازه گيري ضريب پيروالكتريك به روش هاي مختلفي انجام مي شود اما ساده ترين روش با استفاده از فرمول زير و شكل داده شده مي باشد:
ΔPi = PiΔT
Ip = (dQ\dt) = (dT\dt) * (dQ\dT)
dQ = AdPs = APdT
Ip = PA(dT\dt)
P = Ip \ A( dT\dt )
بطوري كه در شكل پايين داريم : ( IP = IM ( 1+ RM\RC كه IMجريان اندازه گيري شده مي باشد و RM مقاومت تقويت كننده و RC مقاومت نشتي پيروالكتريك مي باشد و معمولا طوري طراحي مي شود كه RM<<RC باشد. در نتيجه IM ~ IP و ضريب پيروالكتريك (P) را مي توان با تغيير دادن دماي پيروالكتريك در سرعت مشخصي اندازه گيري كرد.
کوارتز (Silicon Oxide)
كوارتز يك كاني سيليكاته و از دسته تكتوسيليكاتها با فرمول ثابت و وزن مخصوص ۶۵/۲ است. كوارتز معمولاً بي‌رنگ يا سفيد است اما وجود ناخالصي و نقص بلورين و … آن را به رنگهاي متنوع مانند بنفش، زرد، دودي، شيري و…. در مي‌‌آورد.
این کانی دارای خاصیت پیزو الکتریک و پیروالکتریک قوی است .
انواع کوارتز
1. کوارتز شفاف۲. آمتيست۳. کوارتز دودي (کایرنگورم)۴. سيترين۵. کوارتز شيري۶. عقيق۷. کلسدوني
سنسورهای مادون قرمز
“سنسورهای مادون قرمز پسیو” وسایل الکترونیکی هستند که تشعشعات اینفرارد از اجسام و اهداف را در میدان دیدش اندازه گیری می کند. به این سنسورها “سنسورهای PIR” گفته می شود که از مخفف كلمه InfraRed sensors Passive گرفته شده است. PIR ها گاهی برای آشکارسازی اهداف متحرک بکار می روند، به این صورت که منبع انتشار اینفرارد با یک دما، مانند بدن، از جلوی منبع اینفرارد دیگر با دمای دیگر، مانند دیوار عبور می کند و بر اساس این تغییرآشکارسازی صورت می گیرد. همه اشیاء اینفرارد (مادون قرمز) تشعشع می کنند. این تشعشع از دید انسان نامرئی است ولی می تواند با وسایل الکترونیکی که برای این هدف ساخته شده اند ، آشکار شود. عبارت “پسیو” در این سنسور به این معنی است که این سنسور از خود هیچ نوع انرژی ساتع نمی کند، و فقط تشعشعات اینفرارد را از قسمت جلوئی سنسور (Sensor Face) دریافت می کند.
سیستم های آشکار سازحرکت
در بين انواع آشكارسازها، آشكارسازهاي مادون قرمز پيروالكتريك از جايگاه خاصي برخوردار مي باشند كه از مواد مختلف زير دسته پيروالكتريك ها ساخته شده اند و گسترة مادون قرمز طيف الكترومغناطيسي را آشكارسازي مي كنند . این سیستم ها در برابر تشعشعات مادون قرمز که از یک منبع طبیعی تولید شده اند مثل تشعشع ناشی از حرارت بدن انسان ، واکنش نشان می دهند. این آشکار سازها در اغلب سیستم های امنیتی مدرن به کار برده می شوند. اغلب سیستم های حفاظتی مبتنی بر PIR به گونه ای طرح می شوند که وقتی یک انسان یا یک حیوان خون گرم بزرگ در حوزه ی عملکرد آشکار ساز PIR حرکت نماید یک زنگ خطر یا نورافکن روشن شود و یا یک درب باز شده و یا سایر انواع سیستم های الکترو مکانیکی فعال شود. سیستم آشکار ساز حرکت در بازار با نام چشمی شناخته می شوند به عنوان دزدگیر استفاده می شود. همانگونه که در شکل نشان داده شده است در این سیستم ها از آشکار ساز پیرو الکتریک به عنوان حسگر مادون قرمز استفاده می شود
عملکرد آشکار ساز حرکت (PIR)
عملکرد آشکار ساز PIR بدین گونه است که وقتی بدن شخصی در میدان دید عناصر پیرو الکتریک قرار گیرد قسمتی از انرژی تشعشع مادون قرمز که از بدن منتشر شده است و روی سطح عناصر حساس تابیده است, به تغییرات حرارتی بسیار جزیی ولی قابل آشکار سازی تبدیل می شود و این تغییرات نیز به نوبه خود موجب بروز تغییراتی در ولتاژ خروجی می شود. در وضعیتی که شخص یا هر منبع تشعشعات مادون قرمز به صورت ساکن در برابر عدسی آشکار ساز قرار گیرد ولتاژ تولید شده توسط هر دو سرامیک پیرو الکتریک متشابه بوده و ولتاژ تفاضلی این مجموعه صفر خواهد شد ولی اگر این منبع حرارتی در مقابل عدسی آشکار ساز شروع به حرکت کند آنگاه هر یک از دو عناصر پیرو الکتریک ولتاژهای متفاوتی ایجاد خواهند کرد و در نتیجه در خروجی ولتاژ متغیری ایجاد خواهد شد. بنابراین هرگاه یک واحد PIR در مدار قرار گیرد آنگاه حرکت منبع حرارت در جلوی این آشکارساز تغییر ولتاژی را القا می کند که این ولتاژ توسط یک JFET بافر شده و جریان آن تقویت می شود و ولتاژ DC آن توسط خازن حذف می شود و اگر روی این ولتاژ تقویت مناسب و فیلتر کردن صحیح انجام شود آنگاه از آن می توان برای راه اندازی زنگ خطر و یا هر مکانیزم حفاظتی دیگر استفاده کرد.
بعضی از ترکیبات عبارتند از: گالیوم نیترید (GaN)، کاسیم نیترات (CsNO3)، پلى وينيل فلوراید، مشتقات فنیل پیرازین و لیتیوم تانتالیک (LiTaO3) که مانند کریستال است و خواص پیرو الکتریک و پیزو الکتریک را با هم دارد. بعضی از بلورها مثل تانتالات ، لیتیم ، تیتانات باریم و سولفات تری گلیسیرین دارای المانهای وابسته به دما هستند و وقتی بین صفحات فلزی قرار می‌گیرند، یک خازن حساس به دما تشکیل می‌شود که توان تابش IR را اندازه می‌گیرد.
كنترل آلودگي (pollutant control )
به وسيله عبور دادن تابش هاي فرو سرخ از يك گاز نمونه مي توان وجود مقداري از يك آلودگي مشخص در آن را آشكار سازي كرد. براي اين منظور ميتوان مطابق شكل يك گاز نمونه را در مقابل منبع تابش فرو سرخ قرار داد وسپس با قرار دادن يك فيلتر نوري در مسير، كه محدوده باريكي از بسامد ها مطابق با بسامدي كه آلودگي مورد نظر جذب ميكند را از خود عبور ميدهد ، مقدار تابش رسيده را به وسيله يك آشكار ساز پيروالكتريك اندازه گرفت و از روي مقدار تابش عبوري مقدار آلودگي را اندازه گرفت . با عوض كردن فيلتر مي توان آلودگي هاي ديگر را اندازه گرفت.
تصوير برداري حرارتي
اين روش با متمركز كردن تابش هاي فروسرخ گسيل شده از سطح در دماهاي مختلف بر روي يك صفحه حساس انجام مي گيرد و شبيه روش تصوير برداري با نور مرئي مي باشد .
در اين جا دو ناحيه طول موج فروسرخ وجود دارد يكي بين 3 تا 5 ميكرومتر و 8 تا 14 ميكرومتر؛ قدرت تابش يك جسم سياه در دماي 30 درجه كلوين پيكي در حدود 10 ميكرومتر دارد و قدرت باند 8 تا 14 ميكرومتر در حدود 25 برابر باند 3 تا 5 ميكرومتر مي باشد ( در حدود 150 وات بر متر مربع در مقايسه با 6 وات بر متر مربع ) به همين دليل از مواد پيرو الكتريك در بند 8 تا 14 ميكرومتر براي تصوير برداري حرارتي استفاده مي شود.
عناصر پيروالكتريك به كار برده شده در اين وسايل معمولا به صورت يك صفحه مربعي به طول ميليمتري و ضخامتي در حدود 30 ميكرومتر مي باشد. به دليل اينكه تصوير بايد به طور يك پارچه بر روي صفحه متمركز شود ابعاد صفحه پيروالكتريك در حدود 1 سانتي متر مي باشد. فرود آمدن شارهاي تابشي مختلف فضايي بر روي صفحه پيروالكتريك باعث توليد يك توزيع بار مي شود، در دستگاه تصوير برداري اين بار الكتريكي به وسيله تقويت كننده ها به صورت يك جريان تقويت شده و با استفاده از مدارهاي الكترونيكي يك تصوير تلويزيوني مطابق با تابش هاي فرو سرخ رسيده از صحنه را به وجود مي آورد. اين سيستم در كاربردهاي معمولي و نظامي به كار مي رود؛ به عنوان مثال دوربين هاي ساخته شدهA-UK براي پيدا كردن افراد در زير آوارهاي ساختمان هاي فرو ريخته در امداد- نجات به كار مي روند
تابش هاي گسيل شده از صحنه به وسيله يك لنز ژرمانيم بر روي يك الكترود جذب كننده تابش فرو سرخ متمركز مي شوند و گرما به جلو پيروالكتريك هدايت مي شود و ولتاژ توليد شده كه معمولا در حدود ميلي ولت ميباشد از صفحه عبور مي كند. يك شبكه فلزي كه بر روي دتكتور محاط شده ، بيشتر الكترون هاي رسيده را جمع آوري مي كند. بعضي از اين الكترون ها از شبكه عبور مي كنند؛ عبور برخي از آنها به پتانسيل موضعي سطح صفحه بستگي دارد . دشارژ بر روي صفحه باعث توليد سيگنال هايي مي شود كه به الكترود مي رسد و در اين فرآيند تصوير تلويزيوني توليد مي شود.
_____________________________
متن کاملتر این مطلب به همراه تصاویر آن ضمیمه شده است در صورت تمایل میتوانید آن را دانلود کنید .
کپی برداری از مطلب فوق تنها با ذکر منبع (WWW.Daneshju.ir) و نام نویسنده (میثم مژدی) مجاز میباشد .
