Меню

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое пьезоэлектрический датчик – как он работает, области применения

Что такое пьезодатчик и зачем он нужен

Пьезо – это греческий термин, обозначающий «пресс» или «сжатие». Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) – это наличие электрического потенциала по бокам кристалла, когда механическое напряжение прикладывается путем его сжатия. В работающей системе кристалл действует как крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположной стороне. Чтобы сформировать целостную цепь, две грани соединены вместе, и через эту цепь проходит ток.

В качестве примера пьезоэффекта можно вспомнить зажигалки. В них генерируется электрический импульс из-за силы, возникающей при внезапном воздействии спускового механизма на материал внутри.

Эффект пьезоэлектричества обратимый. Всякий раз, когда электрическое поле прикладывается к клеммам кристалла, пьезодатчик испытывает механическое напряжение, что приводит к изменению формы. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект.

Такой эффект можно наблюдать в кварцевых часах. В повседневной работе наручные часы используют кварцевый резонатор, который работает как генератор. Используемый элемент – диоксид кремния. Когда на кристалл подается электрический сигнал, кристалл вибрирует, что помогает периодически регулировать механизм внутри часов. Также хорошим примером являются пьезо-зуммеры. В данном случае определенное количество напряжения со значением величины и частоты прикладывается к кристаллу, что заставляет кристалл вибрировать. Вибрация превращается в звук.

Когда датчик работает по принципу пьезоэлектричества, он называется пьезоэлектрическим датчиком. Пьезоэлектричество – это явление, при котором электричество генерируется, если к материалу прикладывается механическое напряжение. Датчик, который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, деформации, давления и силы путем преобразования их в электрический заряд, называется пьезоэлектрическим датчиком. Это произведенное пьезоэлектричество пропорционально напряжению, приложенному к подложкам из прочного пьезоэлектрического кристалла.

Когда к пьезоматериалу применяется давление или ускорение, на гранях кристалла генерируется эквивалентное количество электрического заряда. Электрический заряд будет пропорционален приложенному давлению. Пьезоэлектрический датчик нельзя использовать для измерения статического давления. При постоянном давлении выходной сигнал будет нулевым. Работу пьезоэлектрического датчика можно обобщить следующим образом.

  1. В пьезоэлектрическом кристалле заряды точно сбалансированы и находятся в несимметричном расположении.
  2. Эффект зарядов компенсируется друг с другом, и, следовательно, на поверхностях кристаллов не будет обнаружено никакого чистого заряда.
  3. Когда кристалл сжимается, заряд в кристалле становится неуравновешенным.
  4. Следовательно, отныне влияние заряда не взаимно компенсируется, что приводит к появлению чистого положительного и отрицательного заряда на противоположных гранях кристалла.
  5. Поэтому, сжимая кристалл, напряжение создается на противоположной стороне, и это известно как пьезоэлектричество.

Схема пьезоэлектрического датчика показана далее. Она состоит из внутреннего сопротивления Ri, которое также известно как сопротивление изолятора. Дроссель генерирует индуктивность из-за инерции датчика. Значение емкости Се обратно пропорционально упругости материала датчика. Для получения полного отклика датчика сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать низкую частоту.

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения динамического давления. Измерение динамического давления предусматривается в таких областях, как измерение турбулентности, сгорания в двигателя и т. д. Изменения давления жидкостей и газов при измерениях давления в цилиндрах гидравлического процесса можно измерять с помощью пьезорезистивных датчиков давления.

Когда сила прикладывается к пьезоэлектрической диафрагме, она генерирует электрический заряд на гранях кристалла. Выход измеряется как напряжение, которое пропорционально приложенному давлению.

Эффект применяется и в ультразвуковых датчиках. Ультразвуковые датчики генерируют ультразвуковые волны. Это свойство применяется, например, в медицине. Звуковые волны передаются через ткани тела. Волны отражаются назад, чтобы создать образ ткани. Это принцип работы ультразвуковой системы визуализации. При этом пьезоэлектрические кристаллы прикрепляются к передней части преобразователя, что помогает генерировать ультразвуковые волны. Электроды действуют как связующий узел между кристаллами и машиной. Когда электрический сигнал подается на кристалл, он из-за вибрации генерирует ультразвуковую волну с частотами от 1,5 до 8 МГц.

Помимо этого пьезоэлектрический датчик используется в датчиках детонации двигателя, датчиках давления, в дизельных топливных инжекторах, оптической настройке, ультразвуковой очистке и сварке, в музыкальных инструментах и приборах, таких как звукосниматели и микрофоны и т.п.

Источник

Пьезоэлектрический датчик — Piezoelectric sensor

Пьезоэлектрический датчик представляет собой устройство , которое использует пьезоэлектрический эффект на изменения в меру давления , ускорения , температуры , напряжения или силы путем преобразования их в электрический заряд . Префикс пьезо — по-гречески означает «нажимать» или «сжимать».

Содержание

Приложения

Пьезоэлектрические датчики — универсальные инструменты для измерения различных процессов. Они используются для обеспечения качества , контроля процессов , а также для исследований и разработок во многих отраслях промышленности. Пьер Кюри открыл пьезоэлектрический эффект в 1880 году, но только в 1950-х производители начали использовать пьезоэлектрический эффект в промышленных измерительных приложениях. С тех пор этот принцип измерения все шире используется и стал зрелой технологией с превосходной внутренней надежностью.

Они успешно используются в различных приложениях, таких как медицинские , аэрокосмические , ядерные приборы, а также в качестве датчика наклона в бытовой электронике или датчика давления в сенсорных панелях мобильных телефонов. В автомобильной промышленности пьезоэлектрические элементы используются для контроля процесса сгорания при разработке двигателей внутреннего сгорания . Датчики устанавливаются либо непосредственно в дополнительные отверстия в головке блока цилиндров, либо свеча зажигания / накаливания оснащается встроенным миниатюрным пьезоэлектрическим датчиком.

Читайте также:  Приборы для измерения температуры воздуха география

Развитие пьезоэлектрической технологии напрямую связано с рядом присущих ей преимуществ. Высокий модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сопоставим с модулем упругости многих металлов и достигает 10 6 Н / м² . Несмотря на то, что пьезоэлектрические датчики представляют собой электромеханические системы, которые реагируют на сжатие , чувствительные элементы показывают практически нулевой прогиб. Это обеспечивает надежность пьезоэлектрических датчиков, чрезвычайно высокую собственную частоту и отличную линейность в широком диапазоне амплитуд . Кроме того, пьезоэлектрическая технология нечувствительна к электромагнитным полям и излучению , что позволяет проводить измерения в суровых условиях. Некоторые материалы , используемые (особенно галлий фосфат или турмалин ) очень стабильны при высоких температурах, что позволяют датчики , чтобы иметь рабочий диапазон вплоть до 1000 ° C . Турмалин показывает пироэлектричество в дополнение к пьезоэлектрическому эффекту; это способность генерировать электрический сигнал при изменении температуры кристалла. Этот эффект также характерен для пьезокерамических материалов. Gautschi в Piezoelectric Sensorics (2002) предлагает эту сравнительную таблицу характеристик материалов пьезодатчиков и других типов:

Принцип Чувствительность к деформации [В / µε] Порог
[µε]
Отношение диапазона к пороговому значению
Пьезоэлектрический 5.0 0,00001 100 000 000
Пьезорезистивный 0,0001 0,0001 2 500 000
Индуктивный 0,001 0,0005 2 000 000
Емкостный 0,005 0,0001 750 000
Резистивный 0,000005 0,01 50 000

Одним из недостатков пьезоэлектрических датчиков является то, что их нельзя использовать для истинно статических измерений. Статическая сила приводит к возникновению фиксированного заряда на пьезоэлектрическом материале. В обычной считывающей электронике несовершенные изоляционные материалы и снижение внутреннего сопротивления датчика вызывают постоянную потерю электронов и дают убывающий сигнал. Повышенные температуры вызывают дополнительное падение внутреннего сопротивления и чувствительности. Основное влияние на пьезоэлектрический эффект заключается в том, что с увеличением давления и температуры чувствительность снижается из-за образования двойников . В то время как кварцевые датчики необходимо охлаждать во время измерений при температурах выше 300 ° C , особые типы кристаллов, такие как фосфат галлия GaPO4, не показывают двойников до точки плавления самого материала.

Однако неверно, что пьезоэлектрические датчики могут использоваться только для очень быстрых процессов или в условиях окружающей среды. В самом деле, многочисленные пьезоэлектрические приложения производят квазистатических измерений, а также другие приложения работают при температурах выше , чем 500 ° C .

Пьезоэлектрические датчики также могут использоваться для определения ароматов в воздухе путем одновременного измерения резонанса и емкости. Электроника с компьютерным управлением значительно расширяет диапазон потенциальных применений пьезоэлектрических датчиков.

Пьезоэлектрические датчики также встречаются в природе. Коллаген в кости пьезоэлектрический, и некоторые считают, что он действует как датчик биологической силы.

Принцип действия

Способ резки пьезоэлектрического материала определяет один из трех основных режимов его работы:

Поперечный эффект

Сила, приложенная вдоль нейтральной оси (y), смещает заряды в направлении (x), перпендикулярном силовой линии. Величина заряда ( ) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлемента. Когда применяются размеры , Q Икс <\ displaystyle Q_ > а , б , d <\ displaystyle a, b, d>

Q Икс знак равно d Икс y F y б / а <\ Displaystyle Q_ = d_ F_ b / a> , где — размер по нейтральной оси, по оси генерации заряда и — соответствующий пьезоэлектрический коэффициент. [3] а <\ displaystyle a> б <\ displaystyle b> d <\ displaystyle d>

Продольный эффект

Величина смещенного заряда строго пропорциональна приложенной силе и не зависит от размера и формы пьезоэлектрического элемента. Соединение нескольких элементов механически последовательно и электрически параллельно — единственный способ увеличить выход заряда. Итоговый заряд

Q Икс знак равно d Икс Икс F Икс п <\ Displaystyle Q_ = d_ F_ n

> , где — пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, приложенными вдоль направления x (в пКл / Н ). это приложенная сила в направлении x [N] и соответствует количеству уложенных друг на друга элементов. d Икс Икс <\ displaystyle d_ > F Икс <\ displaystyle F_ > п <\ displaystyle n>

Эффект сдвига

Произведенный заряд точно пропорционален приложенной силе и генерируется под прямым углом к ​​силе. Заряд не зависит от размера и формы элемента. Для элементов, соединенных механически последовательно и электрически параллельно, заряд составляет п <\ displaystyle n>

Q Икс знак равно 2 d Икс Икс F Икс п <\ Displaystyle Q_ = 2d_ F_ n> .

В отличие от продольных и поперечных эффектов, поперечный эффект позволяет точно настроить чувствительность по приложенной силе и размеру элемента.

Электрические свойства

Пьезоэлектрический преобразователь имеет очень высокое выходное сопротивление постоянного тока и может быть смоделирован как пропорциональный источник напряжения и сеть фильтров . Напряжение V у источника прямо пропорционально приложенной силе, давлению или деформации. Выходной сигнал затем связан с этой механической силой, как если бы он прошел через эквивалентную схему.

Подробная модель включает эффекты механической конструкции датчика и другие неидеальности. Индуктивность L m обусловлена ​​сейсмической массой и инерцией самого датчика. C e обратно пропорционально механической упругости датчика. C представляет собой статическую емкость преобразователя, возникающую из-за инерционной массы бесконечного размера. R i — сопротивление утечки изоляции преобразовательного элемента. Если датчик подключен к сопротивлению нагрузки , он также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту отсечки высоких частот.

Читайте также:  Обхват талии у женщин как измерить правильно

Для использования в качестве датчика обычно используется плоская область графика частотной характеристики между отсечкой высоких частот и резонансным пиком. Нагрузка и сопротивление утечки должны быть достаточно большими, чтобы не пропадать интересующие низкие частоты. В этой области может использоваться упрощенная модель эквивалентной схемы, в которой C s представляет собой емкость самой поверхности датчика, определяемую по стандартной формуле для емкости параллельных пластин . Его также можно смоделировать как источник заряда, параллельный емкости источника, причем заряд прямо пропорционален приложенной силе, как указано выше.

Конструкция датчика

На основе пьезоэлектрической технологии можно измерить различные физические величины, наиболее распространенными из которых являются давление и ускорение. Для датчиков давления используется тонкая мембрана и массивное основание, гарантирующие, что приложенное давление специфически нагружает элементы в одном направлении. Для акселерометров , A сейсмическая масса прикрепляются к кристаллическим элементам. Когда акселерометр испытывает движение, инвариантная сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона . F знак равно м а <\ displaystyle F = ma>

Основное различие в принципе работы между этими двумя случаями заключается в том, как они прикладывают силы к чувствительным элементам. В датчике давления тонкая мембрана передает силу элементам, в то время как в акселерометрах силы прикладывает прикрепленная сейсмическая масса. Датчики часто чувствительны к нескольким физическим величинам. Датчики давления показывают ложный сигнал при воздействии вибрации. Поэтому в сложных датчиках давления в дополнение к чувствительным элементам давления используются элементы компенсации ускорения. Путем тщательного согласования этих элементов сигнал ускорения (выпущенный компенсационным элементом) вычитается из объединенного сигнала давления и ускорения для получения истинной информации о давлении.

Датчики вибрации также могут собирать энергию, потерянную в противном случае из-за механических колебаний. Это достигается за счет использования пьезоэлектрических материалов для преобразования механической деформации в полезную электрическую энергию.

Сенсорные материалы

Для пьезоэлектрических датчиков используются три основные группы материалов: пьезокерамика, монокристаллические материалы и тонкопленочные пьезоэлектрические материалы. Керамические материалы (такие как керамика PZT ) имеют пьезоэлектрическую постоянную / чувствительность, которая примерно на два порядка выше, чем у природных монокристаллических материалов, и могут быть получены с помощью недорогих процессов спекания . Пьезоэффект в пьезокерамике «тренируется», поэтому их высокая чувствительность со временем ухудшается. Это разложение тесно связано с повышением температуры.

Менее чувствительные природные монокристаллические материалы ( фосфат галлия , кварц , турмалин ) имеют более высокую — при осторожном обращении, почти неограниченную — долговременную стабильность. Существуют также новые коммерчески доступные монокристаллические материалы, такие как свинец, ниобат магния-свинец титанат (PMN-PT). Эти материалы обладают улучшенной чувствительностью по сравнению с PZT, но имеют более низкую максимальную рабочую температуру и в настоящее время более сложны в производстве из-за четырех составных материалов по сравнению с тремя составными материалами PZT.

Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы могут быть изготовлены с использованием методов распыления , CVD ( химического осаждения из паровой фазы ), ALD ( атомно-слойной эпитаксии ) и т.д. Тонкопленочные пьезоэлектрические материалы используются в приложениях, где в методе измерения используется высокая частота (> 100 МГц) и / или в приложении предпочтение отдается небольшому размеру.

Источник

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторным датчикам. В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект (или, короче, пьезоэффект), который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы. Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд. Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь..

Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:

,

где — коэффициент пьезочувствительности материала.

Точность преобразования силы в заряд довольно высока. Так, кристалл кварца выполняет это преобразование с относительной погрешностью . Дальнейшее преобразование электрического заряда в напряжение выполняет усилитель заряда, и полученное напряжение может быть измерено любым средством измерения напряжения: аналоговым или цифровым вольтметром или АЦП, сопряженным с компьютером.

Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F ® q существенно выше.

К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t° = 530°C) и высокая точность и стабильность преобразования.

Читайте также:  Измерение артериального давления непрямыми методами

Затрудняет применение кварца трудоемкость обработки и очень высокое удельное сопротивление, достигающее Ом. Поверхностное сопротивление кварца гораздо меньше, поэтому для предотвращения утечки заряда приходится применять хорошую изоляцию, а также тщательно обрабатывать поверхности и герметизировать датчики, защищая кристалл кварца от пыли и грязи. Высокие требования предъявляются к кабелю, соединяющему пластины кварца со входом усилителя заряда. Во избежание утечек заряда изоляция между проводами должна быть очень высокой, а емкость между ними минимальной.

Кроме кристалла кварца в пьезоэлектрических датчиках используются пьезокерамики. К пьезокерамикам относится титанат бария, различные разновидности цирконато-титаната свинца и другие. Точность преобразования силы в заряд у этих материалов хуже, чем у кварца.

Пьезокерамики изготавливаются из сегнетоэлектриков, которые не являются кристаллическими веществами и их домены расположены хаотично. Сегнетоэлектрики сильно измельчают, а затем спекают с вяжущим веществом в сильном электростатическом поле. Сравнительные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов приведены в таблице 6.

Допустимое механическое напряжение для всех материалов

.

Сравнительные характеристики пьезоэлектрических материалов

Из сказанного ясно, что на основе подобных материалов, обладающих пьезоэффектом, могут быть созданы пьезоэлектрические датчики силы, ускорения и давления. От подобных тензорезистивных датчиков пьезоэлектрические отличаются повышенной температурной стойкостью и повышенной надежностью. Однако при невысоких температурах применения в связи с успехами в микротехнологии тензорезистивные датчики успешно конкурируют с пьезоэлектрическими.

На рис. 68 показаны цепочки преобразований, которые выполняются с участием перечисленных датчиков. На этом рисунке усилитель заряда включен в состав пьезоэлектрического датчика с учетом современной тенденции встраивания вторичных преобразователей в корпуса датчиков вторичных преобразователей. В результате входные цепи усилителя приближаются непосредственно к источнику заряда и тем самым уменьшаются погрешности, вызванные несовершенством изоляции кабеля и его емкостью, которая частично шунтирует пьезоэлемент датчика. Однако, при этом к датчику приходится подводить питание, необходимое для работы усилителя.

Усилитель заряда — общий для всех типов пьезоэлектрических датчиков. Он представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления порядка , охваченный глубокой отрицательной емкостной обратной связью. В связи с этим усилитель является, по сути, конденсатором, на выходе которого развивается напряжение , где = (50 ¸ 100) пФ — емкость конденсатора, стоящего в цепи обратной связи. Упрощенная схема такого усилителя представлена на рис. 69. Параллельно с конденсатором обратной связи включается активное сопротивление Ом. Современная элементная база позволяет достичь чувствительности усилителя заряда до 1 В/пКл.

Рассмотрим характерные конструктивные особенности пьезоэлектрических датчиков.

Схемы воздействия силы на пьезоэлемент датчика представлены на рис. 67. Для того, чтобы обеспечить наилучшую изоляцию, в датчике силы, работающем по принципу, показанному на рис. 67 а, используется изоляция, которая обеспечивается самим пьезоэлементом. Для этого применяется составной пьезоэлемент, состоящий из двух пластин, между которыми проложена проводящая прокладка (см. рис. 70 а). Используется продольный пьезоэффект, пластины пьезоэлементов 4 соединяются располагаются так, чтобы заряды, возникающие под действием измеряемой силы, были направлены навстречу друг другу. Электрическое соединение пластин — параллельное. Поскольку верхняя и нижняя пластины вынуждены контактировать с корпусом датчика 1, отвод заряда с них осуществляется с помощью коаксиального кабеля, центральный провод которого 2 присоединен к внутренним сторонам пластин пьезоэлементов, а внешняя оболочка 3 соединяется с корпусом,. Далее следует усилитель заряда и все последующие преобразователи. Точно так же обеспечивается наилучшая изоляция и в случае использования поперечного пьезоэффекта в соответствии с рис. 67 б. Подобная схема размещения пьезоэлементов показана на

рис. 70 г и является типичной также для датчиков давления. Для датчика ускорения, в котором тело 5 с массой m не контактирует с корпусом, эта схема не используется.

С развитием полупроводниковой микротехнологии тензорезистивные датчики давления и ускорения становятся все более серьезными конкурентами пьезоэлектрических датчиков тех же измеряемых величин. Единственной позицией, которую прочно занимают пьезоэлектрические датчики, является измерение очень высоких импульсных давлений при высоких температурах. Примером таких измерений могут служить измерения давления взрыва в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания: дизельных и бензиновых. В этой области наилучшими характеристиками обладают пьезоэлектрические датчики фирмы «Kistler» (Германия). В некоторых из этих датчиков, предназначенных для работы при очень высокой температуре, применяется водяное охлаждение. Точность датчиков фирмы «Kistler» составляет 0.2% на пределах измерения до 20.0 МПа и выше. Частотная полоса — до 80.0 кГц. Фирмой выпускаются одноосные, двухосные и трехосные пьезоэлектрические датчики ускорения. Высокочувствительные миниатюрные пьезоэлектрические датчики ускорения с выходным сигналом в виде заряда или напряжения выпускает также фирма Bruel & Kjaer (Дания) с частотным диапазоном до 50 кГц. Масса датчиков — от 3 г до 12 г. Пьезоэлектрические датчики для сейсмических измерений, в частности, с целью раннего прогнозирования землетрясений выпускает фирма PCB Piezotronics.

Погрешность лучших современных пьезоэлектрических датчиков ускорения достигает (0,2 ¸ 0,5) %.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Источник