Senzor piezoelectric - Piezoelectric sensor

Un disc piezoelectric generează o tensiune atunci când este deformat (schimbarea formei este foarte exagerată)

Un senzor piezoelectric este un dispozitiv care folosește efectul piezoelectric pentru a măsura schimbările de presiune , accelerație , temperatură , tensiune sau forță transformându-le într-o încărcare electrică . Prefixul piezo- este grecesc pentru „apăsare” sau „stoarce”.

Aplicații

Senzorii piezoelectrici sunt instrumente versatile pentru măsurarea diferitelor procese. Acestea sunt utilizate pentru asigurarea calității , controlul proceselor și pentru cercetare și dezvoltare în multe industrii. Pierre Curie a descoperit efectul piezoelectric în 1880, dar abia în anii 1950 producătorii au început să utilizeze efectul piezoelectric în aplicații de detectare industrială. De atunci, acest principiu de măsurare a fost din ce în ce mai utilizat și a devenit o tehnologie matură cu o fiabilitate inerentă excelentă.

Acestea au fost folosite cu succes în diverse aplicații, cum ar fi instrumentele medicale , aerospațiale , nucleare și ca senzor de înclinare în electronica de larg consum sau ca senzor de presiune în touch pad-urile telefoanelor mobile. În industria auto , elementele piezoelectrice sunt utilizate pentru a monitoriza arderea atunci când dezvoltă motoare cu ardere internă . Senzorii sunt fie montați direct în orificii suplimentare în chiulasă, fie bujia este prevăzută cu un senzor piezoelectric miniatural încorporat.

Creșterea tehnologiei piezoelectrice este direct legată de un set de avantaje inerente. Modulul ridicat de elasticitate al multor materiale piezoelectrice este comparabil cu cel al multor metale și crește până la 10 ⁶ N / m² . Chiar dacă senzorii piezoelectrici sunt sisteme electromecanice care reacționează la compresiune , elementele de detectare prezintă o deformare aproape nulă. Acest lucru conferă rezistenței senzorilor piezoelectrici, o frecvență naturală extrem de ridicată și o liniaritate excelentă pe o gamă largă de amplitudine . În plus, tehnologia piezoelectrică este insensibilă la câmpurile electromagnetice și radiații , permițând măsurători în condiții dure. Unele materiale utilizate ( în special , galiu fosfat sau turmalină ) sunt extrem de stabile la temperaturi ridicate, permițând senzori să aibă un domeniu de lucru de pana la 1000 ° C . Turmalina prezintă piroelectricitate pe lângă efectul piezoelectric; aceasta este capacitatea de a genera un semnal electric atunci când temperatura cristalului se schimbă. Acest efect este comun și materialelor piezoceramice . Gautschi din Piezoelectric Sensorics (2002) oferă acest tabel de comparație a caracteristicilor materialelor senzorului piezo comparativ cu alte tipuri:

Un dezavantaj al senzorilor piezoelectrici este că nu pot fi utilizați pentru măsurători cu adevărat statice. O forță statică are ca rezultat o cantitate fixă ​​de încărcare pe materialul piezoelectric. În electronica de citire convențională, materialele izolante imperfecte și reducerea rezistenței senzorului intern determină o pierdere constantă de electroni și produc un semnal în scădere. Temperaturile ridicate determină o scădere suplimentară a rezistenței și sensibilității interne . Efectul principal asupra efectului piezoelectric este acela că, odată cu creșterea presiunii și a temperaturii, sensibilitatea se reduce datorită formării de gemeni . În timp ce senzorii de cuarț trebuie răciti în timpul măsurătorilor la temperaturi peste 300 ° C , tipuri speciale de cristale precum fosfatul de galiu GaPO4 nu prezintă nicio formare dublă până la punctul de topire al materialului în sine.

Cu toate acestea, nu este adevărat că senzorii piezoelectrici pot fi utilizați numai pentru procese foarte rapide sau în condiții ambientale. De fapt, numeroase aplicații piezoelectrice produc măsurători cvasi - statică, și alte aplicații funcționează la temperaturi mai mari de 500 ° C .

Senzorii piezoelectrici pot fi utilizați și pentru a determina aromele din aer măsurând simultan rezonanța și capacitatea. Electronica controlată de computer mărește considerabil gama de aplicații potențiale pentru senzorii piezoelectrici.

Senzorii piezoelectrici se văd și în natură. Colagenul din os este piezoelectric și unii cred că acționează ca un senzor de forță biologică.

Principiul de funcționare

Modul în care este tăiat un material piezoelectric definește unul dintre cele trei moduri operaționale principale:

• Transversal
• Longitudinal
• Foarfeca.

Efect transvers

O forță aplicată de-a lungul unei axe neutre (y) deplasează sarcinile de-a lungul direcției (x), perpendicular pe linia de forță. Cantitatea de încărcare ( ) depinde de dimensiunile geometrice ale elementului piezoelectric respectiv. Când se aplică dimensiunile , ${\ displaystyle Q_ {x}}$${\ displaystyle a, b, d}$

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

unde este dimensiunea în linie cu axa neutră, este în linie cu axa generatoare de sarcină și este coeficientul piezoelectric corespunzător. [3]${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle d}$

Efect longitudinal

Cantitatea de încărcare deplasată este strict proporțională cu forța aplicată și independentă de dimensiunea și forma elementului piezoelectric. Punerea mai multor elemente mecanic în serie și electric în paralel este singura modalitate de a crește puterea de încărcare. Sarcina rezultată este

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

unde este coeficientul piezoelectric pentru o sarcină în direcția x eliberată de forțele aplicate de-a lungul direcției x (în pC / N ). este Forța aplicată în direcția x [N] și corespunde numărului de elemente stivuite.${\ displaystyle d_ {xx}}$${\ displaystyle F_ {x}}$${\ displaystyle n}$

Efect de forfecare

Sarcina produsă este exact proporțională cu forța aplicată și este generată la un unghi drept față de forță. Sarcina este independentă de dimensiunea și forma elementului. Pentru elementele mecanic în serie și electric în paralel sarcina este ${\ displaystyle n}$

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

Spre deosebire de efectele longitudinale și de forfecare, efectul transversal face posibilă reglarea fină a sensibilității asupra forței aplicate și a dimensiunii elementului.

Proprietăți electrice

Simbol schematic și model electronic al unui senzor piezoelectric

Un traductor piezoelectric are o impedanță de ieșire DC foarte mare și poate fi modelat ca sursă de tensiune proporțională și rețea de filtrare . Tensiunea V la sursă este direct proporțională cu forța, presiunea sau tensiunea aplicată. Semnalul de ieșire este apoi legat de această forță mecanică ca și cum ar fi trecut prin circuitul echivalent.

Răspunsul în frecvență al unui senzor piezoelectric; tensiunea de ieșire peste forța aplicată față de frecvență

Un model detaliat include efectele construcției mecanice a senzorului și alte non-idealități. Inductanța L _m se datorează masei seismice și inerției senzorului în sine. C _e este invers proporțional cu elasticitatea mecanică a senzorului. C ₀ reprezintă capacitatea statică a traductorului, rezultată dintr-o masă inerțială de dimensiuni infinite. R _i este izolația rezistența scurgerii elementului transductor. Dacă senzorul este conectat la o rezistență la sarcină , acesta acționează și în paralel cu rezistența de izolație, crescând atât frecvența de întrerupere a trecerii înalte.

În regiunea plană, senzorul poate fi modelat ca o sursă de tensiune în serie cu capacitatea senzorului sau o sursă de încărcare în paralel cu capacitatea

Pentru utilizare ca senzor, regiunea plană a graficului de răspuns în frecvență este de obicei utilizată, între limita de trecere înaltă și vârful rezonant. Rezistența la sarcină și scurgere trebuie să fie suficient de mare încât să nu se piardă frecvențele joase de interes. În această regiune poate fi utilizat un model de circuit echivalent simplificat, în care C _s reprezintă capacitatea suprafeței senzorului în sine, determinată de formula standard pentru capacitatea plăcilor paralele . De asemenea, poate fi modelat ca o sursă de încărcare în paralel cu capacitatea sursei, cu sarcina direct proporțională cu forța aplicată, ca mai sus.

Proiectarea senzorilor

Discuri metalice cu material piezo, utilizate în buzzere sau ca microfoane de contact

Pe baza tehnologiei piezoelectrice pot fi măsurate diferite mărimi fizice, cele mai frecvente fiind presiunea și accelerația. Pentru senzorii de presiune , se utilizează o membrană subțire și o bază masivă, asigurându-se că o presiune aplicată încarcă în mod specific elementele într-o singură direcție. Pentru accelerometre , o masă seismică este atașată elementelor cristaline. Când accelerometrul experimentează o mișcare, masa seismică invariantă încarcă elementele conform celei de-a doua legi a mișcării lui Newton . ${\ displaystyle F = ma}$

Principala diferență în principiul de funcționare dintre aceste două cazuri este modul în care aplică forțe elementelor senzoriale. Într-un senzor de presiune, o membrană subțire transferă forța către elemente, în timp ce în accelerometre o masă seismică atașată aplică forțele. Senzorii tind să fie adesea sensibili la mai multe cantități fizice. Senzorii de presiune prezintă un semnal fals atunci când sunt expuși la vibrații. Prin urmare, senzorii sofisticati de presiune folosesc elemente de compensare a acceleratiei pe lângă elementele de detectare a presiunii. Prin potrivirea cu atenție a acestor elemente, semnalul de accelerație (eliberat din elementul de compensare) este scăzut din semnalul combinat de presiune și accelerație pentru a obține adevărata informație de presiune.

Senzorii de vibrații pot recolta, de asemenea, energie irosită din vibrații mecanice. Acest lucru se realizează prin utilizarea de materiale piezoelectrice pentru a transforma tensiunea mecanică în energie electrică utilizabilă.

Detectarea materialelor

Trei grupe principale de materiale sunt utilizate pentru senzorii piezoelectrici: ceramică piezoelectrică, materiale monocristale și materiale piezoelectrice cu film subțire. Materialele ceramice (cum ar fi ceramica PZT ) au o constantă / sensibilitate piezoelectrică care este cu aproximativ două ordine de mărime mai mare decât cele ale materialelor naturale monocristale și pot fi produse prin procese de sinterizare ieftine . Piezoefectul în piezoceramică este „antrenat”, astfel încât sensibilitatea lor ridicată se degradează în timp. Această degradare este puternic corelată cu temperatura crescută.

Materialele monocristale mai puțin sensibile, naturale ( fosfat de galiu , cuarț , turmalină ) au o stabilitate pe termen lung mai mare - atunci când sunt manipulate cu atenție, aproape nelimitat. Există, de asemenea, materiale noi cu un singur cristal disponibile comercial, cum ar fi niobatul de plumb-magneziu-titanatul de plumb (PMN-PT). Aceste materiale oferă o sensibilitate îmbunătățită față de PZT, dar au o temperatură maximă de funcționare mai scăzută și sunt în prezent mai complicate de fabricat datorită PZT cu patru compuși față de trei compuși.

Materialele piezoelectrice cu peliculă subțire pot fi fabricate utilizând metode de pulverizare , CVD ( depunere chimică de vapori ), ALD ( epitaxie în strat atomic ) etc. Materialele piezoelectrice cu film subțire sunt utilizate în aplicații în care frecvența înaltă (> 100 MHz) este utilizată în metoda de măsurare și / sau dimensiunea mică este favorizată în aplicație.

Vezi si

• Amplificator de încărcare
• Lista senzorilor
• Piezoelectricitate
• Difuzor piezoelectric
• Efect piiezorezistiv
• Omogenizator cu ultrasunete
• Traductor cu ultrasunete
• Rezonator acustic în vrac cu film subțire

Referințe

linkuri externe

• Constante materiale ale fosfatului de galiu