Accelerometru piezoelectric - Piezoelectric accelerometer
Un accelerometru piezoelectric este un accelerometru care folosește efectul piezoelectric al anumitor materiale pentru a măsura modificările dinamice ale variabilelor mecanice (de exemplu, accelerația, vibrațiile și șocul mecanic).
Ca și în cazul tuturor traductoarelor , piezoelectricul transformă o formă de energie în alta și furnizează un semnal electric ca răspuns la o cantitate, proprietate sau stare care este măsurată. Folosind metoda de detectare generală pe care se bazează toate accelerometrele, accelerația acționează asupra unei mase seismice care este reținută de un arc sau suspendată pe un fascicul în consolă și transformă o forță fizică într-un semnal electric. Înainte ca accelerația să poată fi transformată într-o cantitate electrică, aceasta trebuie mai întâi transformată fie într-o forță, fie în deplasare . Această conversie se face prin intermediul sistemului de arcuri de masă prezentat în figura din dreapta.
Introducere
Cuvântul piezoelectric își găsește rădăcinile în cuvântul grecesc piezein , care înseamnă a stoarce sau a apăsa. Când o forță fizică este exercitată pe accelerometru, masa seismică încarcă elementul piezoelectric în conformitate cu a doua lege a mișcării lui Newton ( ). Forța exercitată asupra materialului piezoelectric poate fi observată în schimbarea forței electrostatice sau a tensiunii generate de materialul piezoelectric. Acest lucru diferă de un efect piezorezistiv prin faptul că materialele piezorezistive experimentează o schimbare a rezistenței materialului mai degrabă decât o schimbare a sarcinii sau tensiunii. Forța fizică exercitată asupra piezoelectricului poate fi clasificată ca una dintre cele două tipuri; îndoire sau compresie. Stresul tipului de compresie poate fi înțeles ca o forță exercitată pe o parte a piezoelectricului în timp ce partea opusă se sprijină pe o suprafață fixă, în timp ce îndoirea implică o forță exercitată pe piezoelectric de ambele părți.
Materialele piezoelectrice utilizate în scopul accelerometrelor se împart în două categorii: materiale monocristale și materiale ceramice. Primele și mai utilizate pe scară largă sunt materialele monocristale (de obicei cuarț). Deși aceste materiale oferă o durată de viață lungă în ceea ce privește sensibilitatea, dezavantajul lor este că sunt în general mai puțin sensibile decât unele ceramice piezoelectrice. Cealaltă categorie, materialele ceramice, au o constantă piezoelectrică (sensibilitate) mai mare decât materialele monocristale și sunt mai puțin costisitoare de produs. Ceramica utilizează titanat de bariu , plumb-zirconat-plumb-titanat, metaniobat de plumb și alte materiale a căror compoziție este considerată proprietară de către compania responsabilă cu dezvoltarea lor. Dezavantajul ceramicii piezoelectrice este însă faptul că sensibilitatea lor se degradează cu timpul, făcând longevitatea dispozitivului mai mică decât cea a materialelor monocristale.
În aplicațiile în care se utilizează piezoelectrici cu sensibilitate redusă, două sau mai multe cristale pot fi conectate împreună pentru multiplicarea ieșirilor. Materialul adecvat poate fi ales pentru anumite aplicații pe baza sensibilității , a răspunsului în frecvență , a rezistivității în vrac și a răspunsului termic. Datorită semnalului de ieșire redus și a impedanței de ieșire ridicate pe care o au accelerometrele piezoelectrice, este nevoie de amplificare și conversie a impedanței semnalului produs. În trecut, această problemă a fost rezolvată folosind un amplificator (extern) separat / convertor de impedanță . Cu toate acestea, această metodă este, în general, impracticabilă din cauza zgomotului introdus, precum și a constrângerilor fizice și de mediu impuse ca urmare a sistemului. Astăzi, amplificatoarele IC / convertoarele de impedanță sunt disponibile comercial și sunt, în general, ambalate în cazul accelerometrului în sine.
Istorie
În spatele misterului funcționării accelerometrului piezoelectric se află câteva concepte foarte fundamentale care guvernează comportamentul structurilor cristalografice. În 1880, Pierre și Jacques Curie au publicat o demonstrație experimentală care conectează stresul mecanic și sarcina de suprafață pe un cristal. Acest fenomen a devenit cunoscut sub numele de efect piezoelectric . Strâns legat de acest fenomen este punctul Curie , numit pentru fizicianul Pierre Curie, care este temperatura peste care materialul piezoelectric își pierde polarizarea spontană a atomilor săi.
Dezvoltarea accelerometrului piezoelectric comercial a avut loc printr-o serie de încercări de a găsi cea mai eficientă metodă de măsurare a vibrațiilor pe structuri mari, cum ar fi poduri și pe vehicule în mișcare, cum ar fi aeronavele. O încercare a implicat utilizarea dispozitivului de măsurare a rezistenței ca dispozitiv pentru a construi un accelerometru. De altfel, Hans J. Meier a fost cel care, prin munca sa la MIT, este recunoscut ca fiind primul care a construit un accelerometru comercial cu tensimetrie (circa 1938). Cu toate acestea, accelerometrele de măsurare a tensiunii erau fragile și nu puteau produce decât frecvențe de rezonanță reduse și, de asemenea, prezentau un răspuns de frecvență joasă. Aceste limitări în domeniul dinamic au făcut-o nepotrivită pentru testarea structurilor de aeronave navale. Pe de altă parte, senzorul piezoelectric s-a dovedit a fi o alegere mult mai bună față de tensiunea de măsurare în proiectarea unui accelerometru. Modulul ridicat de elasticitate al materialelor piezoelectrice face ca senzorul piezoelectric să fie o soluție mai viabilă la problemele identificate cu accelerometrul de tensiune.
Simplu spus, proprietățile inerente ale accelerometrelor piezoelectrice l-au făcut o alternativă mult mai bună la tipurile de gage de tensiune datorită răspunsului său în frecvență ridicată și capacității sale de a genera frecvențe rezonante ridicate. Accelerometrul piezoelectric a permis o reducere a dimensiunii sale fizice la nivelul de fabricație și a asigurat, de asemenea, o capacitate mai mare de g (greutate standard) în raport cu tipul de tensiune. Prin comparație, tipul de calibrare a tensiunii a prezentat un răspuns de frecvență plat peste 200 Hz, în timp ce tipul piezoelectric a oferit un răspuns plat de până la 10.000 Hz. Aceste îmbunătățiri au făcut posibilă măsurarea vibrațiilor de înaltă frecvență asociate cu mișcările rapide și șocurile de scurtă durată ale aeronavelor, care înainte nu erau posibile cu tipurile de tensiune. În scurt timp, beneficiile tehnologice ale accelerometrului piezoelectric au devenit evidente și la sfârșitul anilor 1940, a început producția pe scară largă a accelerometrelor piezoelectrice. Astăzi, accelerometrele piezoelectrice sunt utilizate pentru instrumente în domeniile ingineriei, sănătății și medicinei, aeronauticii și a multor alte industrii diferite.
de fabricație
Există două metode comune utilizate pentru fabricarea accelerometrelor. Una se bazează pe principiile piezorezistenței, iar cealaltă se bazează pe principiile piezoelectricității. Ambele metode asigură că vectorii de accelerație ortogonală nedorite sunt excluși de la detectare.
Fabricarea unui accelerometru care utilizează piezorezistența începe mai întâi cu un strat de semiconductor care este atașat la o placă de mâner de un strat gros de oxid. Stratul semiconductor este apoi modelat în geometria accelerometrului. Acest strat semiconductor are una sau mai multe deschideri, astfel încât masa subiacentă va avea deschiderile corespunzătoare. Apoi, stratul de semiconductor este folosit ca o mască pentru gravarea unei cavități în oxidul gros subiacent. O masă în cavitate este susținută în consolă de brațele piezorezistente ale stratului semiconductor. Chiar sub geometria accelerometrului se află o cavitate flexibilă care permite masei din cavitate să se flexeze sau să se deplaseze în direcție ortogonală față de suprafața accelerometrului.
Accelerometrele bazate pe piezoelectricitate sunt construite cu două traductoare piezoelectrice. Unitatea constă dintr-un tub gol care este etanșat de un traductor piezoelectric la fiecare capăt. Traductoarele sunt polarizate în mod opus și sunt selectate pentru a avea o capacitate de serie specifică. Tubul este apoi parțial umplut cu un lichid greu și accelerometrul este excitat. În timp ce este excitat, tensiunea totală de ieșire este măsurată continuu și volumul lichidului greu este micjustat până când se obține tensiunea de ieșire dorită. În cele din urmă, sunt măsurate ieșirile traductoarelor individuale, diferența de tensiune reziduală este tabelată și se identifică traductorul dominant.
În 1943, compania daneză Brüel & Kjær a lansat Type 4301 - primul accelerometru de încărcare din lume.
Aplicații ale accelerometrelor piezoelectrice
Accelerometrele piezoelectrice sunt utilizate în multe industrii, medii și aplicații diferite. Dispozitivele de măsurare piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă astăzi în laborator, pe podeaua de producție și ca echipament original pentru măsurarea și înregistrarea modificărilor dinamice ale variabilelor mecanice, inclusiv șocuri și vibrații.
Unele accelerometre au electronice încorporate pentru a amplifica semnalul înainte de al transmite către dispozitivul de înregistrare. Aceste dispozitive sunt de obicei conforme cu standardul IEPE sau echivalentul său proprietar, ICP (a se vedea senzorul piezoelectric al circuitului integrat ).
Referințe
- Norton, Harry N. (1989). Manual de traductoare . Prentice Hall PTR . ISBN 0-13-382599-X „Legătură PDF”