Пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение формы сильно преувеличено)

A пьезоэлектрический датчик - это устройство который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений в давлении, ускорении, температуре, деформации или усилить, преобразовав их в электрический заряд. Префикс пьезо - по-гречески означает «нажимать» или «сжимать».

• 1 Применение
• 2 Принцип действия
  • 2.1 Поперечное воздействие
  • 2.2 Продольное влияние
  • 2.3 Эффект сдвига
• 3 Электрические свойства
• 4 Конструкция датчика
• 5 Чувствительные материалы
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Пьезоэлектрические датчики - это универсальные инструменты для измерения различных процессов. Они используются для обеспечения качества, управления процессами, 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 датчиках. 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 потребительских электроника или датчик давления в сенсорных панелях мобильных телефонов. В автомобильной промышленности пьезоэлектрические элементы используются для контроля 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.

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

Принцип	Напряжение. Чувствительность [В / µε]	Порог. [µε]	Отношение диапазона к. пороговому значению
Пьезоэлектрический	5,0	0,00001	100000000
Пьезорезистивный	0,0001	0,0001	2,500,000
Индуктивная	0,001	0,0005	2,000,000
Емкостная	0,005	0,0001	750,000
Резистивный	0,000005	0,01	50,000

Один из недостатков пьезоэлектрических датчиков в том, что их нельзя использовать для действительно статических измерений. Статическая сила приводит к возникновению фиксированного заряда на пьезоэлектрическом материале. В традиционной считывающей электронике несовершенные изоляционные материалы и уменьшение 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 GaPO4 фосфат галлия, не показывают двойников до температуры плавления самого материала.

Однако неверно, что пьезоэлектрические датчики могут использоваться только для очень быстрых процессов или в условиях окружающей среды. Фактически, многочисленные пьезоэлектрические устройства производят квазистатические измерения, а другие приложения работают при температурах выше 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 является пьезоэлектрическим и, по мнению некоторых, действует как датчик биологической силы.

Способ разрезания пьезоэлектрического материала определяет его. из трех основных режимов работы:

• Поперечный
• Продольный
• Сдвиг.

Поперечный эффект

Сила, приложенная вдоль нейтральной оси (y), перемещает заряды вдоль направление (x), перпендикулярное силовой линии. Величина заряда ($Q\; x\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{x\}\}$) зависит от геометрических размеров соответствующего пьезоэлектрического элемента. Если применяются размеры $a,\; b,\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; a,\; b,\; d\}$,

$Q\; x\; =\; dxy\; F\; yb\; /\; a\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{x\}\; =\; d\_\; \{xy\}\; F\_\; \{y\}\; b\; /\; a\}$,

где $a\; \{\backslash \; displaystyle\; a\}$- размер на одной линии с нейтральной осью, $b\; \{\backslash \; displaystyle\; b\}$соответствует оси генерации заряда, а $d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$- соответствующий пьезоэлектрический коэффициент. [3]

Продольный эффект

количество смещенного заряда строго пропорционально приложенной силе и не зависит от размера и формы пьезоэлектрического элемента. Соединение нескольких элементов механически последовательно и электрически в параллельно - единственный способ увеличить выход заряда. В результате получается заряд

$Q\; x\; =\; dxx\; F\; xn\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{x\}\; =\; d\_\; \{xx\}\; F\_\; \{x\}\; n\; ~\}$,

, где $dxx\; \{\backslash \; displaystyle\; d\_\; \{xx\}\}$- это пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, приложенными вдоль направления x (в pC /N ). $F\; x\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{x\}\}$- приложенная Сила в направлении x [N], а $n\; \{\backslash \; displaystyle\; n\}$соответствует числу

Эффект сдвига

Производимый заряд точно пропорционален приложенной силе и генерируется под прямым углом к ​​силе. Заряд не зависит от размера и формы элемента. Для элементов $n\; \{\backslash \; displaystyle\; n\}$, последовательно соединенных механически и параллельно электрически, заряд равен

$Q\; x\; =\; 2\; dxx\; F\; xn\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{x\}\; =\; 2d\_\; \{xx\}\; F\_\; \{x\}\; n\}$.

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

Схематический символ и электронная модель пьезоэлектрического датчика

Пьезоэлектрический преобразователь имеет очень высокое выходное сопротивление постоянного тока и может быть смоделирован как пропорциональный источник напряжения и фильтруют сеть. 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.

Амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического датчика; зависимость выходного напряжения от приложенной силы от частоты

Подробная модель включает эффекты механической конструкции датчика и другие неидеальности. Индуктивность L м обусловлена ​​сейсмической массой и инерцией самого датчика. C e обратно пропорционально механической эластичности датчика. C 0 представляет статическую емкость преобразователя, возникающую в результате инерционной массы бесконечного размера. R i - это изоляционное сопротивление утечки преобразовательного элемента. Если датчик подключен к сопротивлению нагрузки, он также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту отсечки высоких частот.

В плоской области датчик может быть смоделирован как источник напряжения, соединенный последовательно с емкостью датчика, или как источник заряда, соединенный параллельно емкости.

Для использования в качестве датчика плоская область графика частотной характеристики имеет вид обычно используется между отсечкой высоких частот и резонансным пиком. Сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, 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.

Металлические диски с пьезоэлементом, используемые в зуммерах или as контактные микрофоны

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, гарантируя, что приложенное давление специфически нагружает элементы в одном направлении. Для акселерометров к кристаллическим элементам прикрепляется сейсмическая масса. Когда акселерометр испытывает движение, инвариантная сейсмическая масса нагружает элементы в соответствии со вторым законом движения Ньютона $F\; =\; ma\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; ma\}$.

Основное различие в принципе работы между этими двумя случаями заключается в том, как они прилагают усилия 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 компенсирующим 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.

Для пьезоэлектрических датчиков используются две основные группы материалов: пьезокерамика и монокристаллические материалы.. Керамические материалы (такие как керамика PZT ) имеют пьезоэлектрическую постоянную / чувствительность, которая примерно на два порядка выше, чем у природных монокристаллических материалов, и их можно производить с помощью недорогих спекание процессов. 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 неограниченно - долговременная стабильность. Есть также новые коммерчески доступные монокристаллические материалы, такие как свинец, ниобат магния-свинец титанат (PMN-PT). Эти материалы обладают повышенной чувствительностью по сравнению с PZT, но имеют более низкую максимальную рабочую температуру и в настоящее время более дороги в производстве.

• Усилитель заряда
• Список датчиков
• Пьезоэлектричество
• Пьезоэлектрический динамик
• Пьезорезистивный эффект
• Ультразвуковой гомогенизатор
• Ультразвуковой преобразователь

• Материальные константы фосфата галлия