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».
Приложения [ править ]
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 [1] или датчика 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. [2]
Развитие пьезоэлектрических технологий напрямую связано с рядом присущих им преимуществ. Высокий модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сопоставим с модулем упругости многих металлов и достигает 10 6 Н / м² . [ необходима цитата ] 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 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 пьезосенсоров и материалов других типов: [3]
| 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 . При этом кварцевые датчики необходимо охлаждать во время измерений при температурах выше 300 ° C., особые типы кристаллов, такие как фосфат галлия GaPO4, не демонстрируют образования двойников вплоть 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. [4]
Пьезоэлектрические датчики также встречаются в природе. Коллаген в кости пьезоэлектрический, и некоторые считают, что он действует как датчик биологической силы. [5] [6]
Принцип работы [ править ]
Способ резки пьезоэлектрического материала определяет один из трех основных режимов его работы:
- Поперечный
- Продольный
- Сдвиг.
Поперечный эффект [ править ]
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 ,
- ,
- где - размер по нейтральной оси, по оси генерации заряда и - соответствующий пьезоэлектрический коэффициент. [3]
Продольный эффект [ править ]
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
- ,
- где - пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, высвобождаемого силами, действующими в направлении x (в пКл / Н ). это приложенная сила в направлении x [N] и соответствует количеству уложенных друг на друга элементов.
Эффект сдвига [ править ]
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
- .
В отличие от продольных и поперечных эффектов, поперечный эффект позволяет точно настроить чувствительность по приложенной силе и размеру элемента.
Электрические свойства [ править ]
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. [7] 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. [8] Индуктивность L m обусловлена сейсмической массой и инерцией самого датчика. C e обратно пропорционально механической упругости датчика. C 0 представляет собой статическую емкость преобразователя, возникающую из-за инерционной массы бесконечного размера. [8] R i - сопротивление утечки изоляции преобразовательного элемента. Если датчик подключен к нагрузке, сопротивление, это также действует параллельно с сопротивлением изоляции, увеличивая частоту отсечки высоких частот.
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 . [8] [9] Его также можно смоделировать как источник заряда, параллельный емкости источника, причем заряд прямо пропорционален приложенной силе, как указано выше. [7]
Конструкция датчика [ править ]
На основе пьезоэлектрической технологии можно измерять 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 .
Основное различие в принципе работы между этими двумя случаями заключается в способе приложения 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 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. [10]
Сенсорные материалы [ править ]
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. Эта деградация сильно коррелирует 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 тех случаях, когда в методе измерения используется высокая частота (> 100 МГц) и / или в этом случае предпочтение отдается небольшому размеру.
См. Также [ править ]
- Усилитель заряда
- Список датчиков
- Пьезоэлектричество
- Пьезоэлектрический динамик
- Пьезорезистивный эффект
- Ультразвуковой гомогенизатор
- Ультразвуковой преобразователь
- Тонкопленочный объемный акустический резонатор
Ссылки [ править ]
- ^ П. Мубарак и др., Самокалибрующаяся математическая модель для прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS, IEEE Sensors Journal, 12 (5) (2011) 1033-1042.
- ^ [1] , [2] Архивировано 3 декабря 2008 г., в Wayback Machine.
- ^ Gautschi, G. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика . Springer Berlin, Гейдельберг, Нью-Йорк. п. 3. ISBN 9783540422594 - через Google Книги.
- ↑ Вали, Р. Пол (октябрь 2012 г.). «Электронный нос для различения ароматических цветов с помощью богатого информацией измерения пьезоэлектрического резонанса в реальном времени» . Процедурная химия . 6 : 194–202. DOI : 10.1016 / j.proche.2012.10.146 .
- ^ Lakes, Родерик (8 июля 2013). «Электрические свойства кости - обзор» . Университет Висконсина . Проверено 1 сентября 2013 года .
- ^ Беккер, Роберт O .; Марино, Андрей Анатольевич «Пьезоэлектричество» . Отделение ортопедической хирургии Центра медицинских наук Университета штата Луизиана. Архивировано из оригинала 2 августа 2009 года . Проверено 1 сентября 2013 года .
- ^ a b «Сопряжение пьезопленки с электроникой» (PDF) . Специальности измерения . Март 2006 . Проверено 2 декабря 2007 года .
- ^ a b c Альфредо Васкес Карасо (январь 2000 г.). «Новые пьезоэлектрические преобразователи для измерений высокого напряжения». Политехнический университет Каталонии: 242. Цитировать журнал требует
|journal=( помощь ) - ^ Карки, Джеймс (сентябрь 2000). "Пьезоэлектрические датчики формирования сигнала" (PDF) . Техасские инструменты . Проверено 2 декабря 2007 года .
- ^ Ладлоу, Крис (май 2008 г.). «Сбор энергии с помощью пьезоэлектрических датчиков» (PDF) . Mide Technology . Проверено 21 мая 2008 года .
Внешние ссылки [ править ]
- Материальные константы фосфата галлия
