Пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрические датчики работают с пьезоэлектрическим эффектом и зарекомендовали себя как универсальный прибор для измерения различных процессов. Они используются для определения давления , ускорения , натяжения , силы или в качестве газовых датчиков при управлении качеством и технологическим процессом.

Приложения

Пьезоэлектрический датчик, который генерирует напряжение в ответ на силу

Многие живые существа используют пьезоэлектричество определенным образом: кости действуют как датчик силы . При приложении силы кости производят электрические заряды пропорционально внутренним нагрузкам. Эти заряды стимулируют и вызывают образование нового костного материала, что приводит к укреплению костной структуры в местах наибольших внутренних деформаций. Это приводит к минимальным нагрузкам конструкции и, следовательно, отличному соотношению веса к прочности.

От открытия братьями Кюри пьезоэлектрического эффекта до его промышленного использования в датчиках прошло некоторое время. Этот принцип измерения используется только с 1940-х годов и сегодня представляет собой отработанную технологию с выдающейся надежностью; Пьезоэффект успешно используется во многих критических областях применения, таких как медицина, аэрокосмическая или ядерная техника.

Возникновение пьезоэлектрических технологий связано с рядом присущих им преимуществ . Высокий модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сопоставим с модулем упругости многих металлов и может достигать 10 ⁵  Н / мм². Хотя пьезоэлектрические датчики представляют собой электромеханические системы, которые реагируют на давление, измерительные элементы почти не деформируются (обычно измерительные элементы сжимаются только на несколько микрометров).

Это одна из причин прочности пьезоэлектрических датчиков, очень высокой собственной частоты и отличной линейности даже в сложных условиях эксплуатации. Кроме того, пьезоэлектрическая технология нечувствительна к электромагнитным полям и излучению. Некоторые из используемых материалов, в частности фосфат галлия и турмалин, обладают превосходной стабильностью в широком диапазоне температур, что позволяет пьезоэлектрическим датчикам измерять температуру почти до 1000 ° C. Помимо пьезоэффекта турмалин обладает пироэлектрическим эффектом. Этот эффект также наблюдается со всеми пьезокерамиками (например, PZT ).

Недостаток пьезоэлектрических датчиков является их плохой пригодностью для использования в чисто статических измерениях. Статическая сила приводит к определенному количеству заряда на поверхности пьезоэлектрического материала. Если этот заряд измеряется не усилителем заряда, а - технически некорректным - преобразователем импеданса , заряды постоянно теряются, что в конечном итоге приводит к непрерывному падению сигнала. Повышенные температуры вызывают дополнительное падение внутреннего сопротивления , поэтому для таких условий измерения можно использовать только материалы с высоким внутренним сопротивлением.

Было бы неверно предполагать, что пьезоэлектрические датчики можно использовать только для очень быстрых процессов или в умеренных условиях. Существует большое количество приложений, в которых измерения проводятся в квазистатических условиях; есть также датчики для измерения давления выше 500 ° C.

функциональность

Электрическая схема , эквивалент пьезоэлектрического датчика

В зависимости от разреза пьезоэлектрического материала можно выделить три основных эффекта и, следовательно, режим работы: поперечный, продольный и сдвиговый:

Поперечный эффект

Сила применяется вдоль нейтральной оси (y), и заряды генерируются в направлении (x) к y. Величина заряда зависит от размеров соответствующего пьезоэлемента. Если , , то размеры, то: ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle c}$

${\ Displaystyle Q_ {x} = d_ {xy} F_ {y} b / a}$,

будучи параллельно нейтральной оси (у) и параллельно оси генерирующего заряд (х). - пьезоэлектрический коэффициент для этого эффекта.${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle d_ {xy}}$

Продольный эффект

Количество генерируемого заряда прямо пропорционально приложенной силе и не зависит от размера или формы пьезоэлектрического элемента. Таким образом, использование нескольких элементов, соединенных механически последовательно и электрически параллельно, является единственным способом увеличения количества заряда. Итоговая плата составляет:

${\ Displaystyle Q_ {x} = d_ {xx} F_ {x} n}$,

где - пьезоэлектрический коэффициент ( pC / N ) для генерируемого заряда на x-грани, когда сила вводится параллельно оси x [N]. соответствует количеству параллельно соединенных элементов.${\ displaystyle d_ {xx}}$${\ displaystyle F_ {x}}$${\ displaystyle n}$

Эффект сдвига

Генерируемый заряд прямо пропорционален силе и не зависит от размера или формы пьезоэлектрического элемента. Для элементов, соединенных последовательно механически и параллельно электрически, заряд составляет: ${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle Q_ {x} = 2d_ {xx} F_ {x} n}$.

В отличие от продольного и сдвигового эффектов, при поперечном эффекте количество генерируемого заряда (чувствительность) может быть изменено посредством отношения ширины (а) к высоте (b) кристаллического элемента. По этой причине большинство датчиков давления основаны почти исключительно на поперечном эффекте.

Конструкция датчика

На основе пьезоэлектрической измерительной техники можно измерить множество физических величин, таких как давление и ускорение. Для датчиков давления используется тонкая мембрана известных размеров и прочное основание, чтобы обеспечить целенаправленную нагрузку на элементы в одном направлении под давлением. В акселерометрах сейсмическая масса соединяется с кристаллическими элементами. Когда акселерометр определяет движение, сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона . ${\ displaystyle F = ma}$

Основное различие в работе двух датчиков заключается в том, как сила действует на измерительные элементы. В датчике давления тонкая мембрана используется для передачи силы элементам. В акселерометрах сила создается сейсмической массой.

Датчики часто реагируют на несколько физических величин. Датчики давления показывают сигнал при ускорении, потому что их мембрана имеет массу. Современные датчики давления могут быть построены с компенсацией ускорения. Эта компенсация основана на том факте, что реальный измерительный элемент измеряет как давление, так и процессы ускорения. Второй измерительный элемент расположен в датчике таким образом, что он воспринимает только процессы ускорения. Чтобы получить «истинное» значение давления, сигнал ускорения дополнительных элементов вычитается из объединенного сигнала фактического (объединенного) сигнала давления.

материалы

Для пьезоэлектрических датчиков используются две основные группы материалов: пьезокерамика и монокристаллические материалы. Керамика (например, керамика PZT ) имеет пьезоэлектрическую постоянную, которая на два порядка выше, чем у кристаллических материалов, и может быть получена в процессе спекания . Однако высокая чувствительность связана с плохой долговременной стабильностью. Поэтому пьезоэлектрическая керамика в основном используется, когда требования к точности измерения и долговременной стабильности не слишком высоки. Менее чувствительные монокристаллические материалы ( кварц , турмалин и фосфат галлия ) имеют гораздо более высокую - и почти бесконечную - долговременную стабильность.

Стандарты

• Интегрированная электроника пьезоэлектрическая (IEPE)

веб ссылки

• Пьезоэлектрические датчики. В: Веб-сайт Piezocryst Advanced Sensorics GmbH. Архивировано из оригинала на 12 августа 2012 года ; Проверено 10 сентября 2007 года .