Пьезоэлектрические датчики


СОДЕРЖАНИЕ:

Кафедра электронных систем и устройств

Реферат на тему:

Выполнил: студент группы 5105 Нефедов Юрий Николаевич

Принял: к.т.н доцент Медников Валерий Александрович

доцент Меркулов Анатолий Игнатьевич

1. История развития пьезоэлектричества……………………………………….. 4

3. устройство пьезодатчиков……………………………………………………. 9

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи……. 10

5. Классификация пьезоэлектрических датчиков……………………………… 11

6. Параметры и характеристики пьезокерамических

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………… 15

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВА.

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием си­лы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект впоследствии был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением — пьезо­электричеством, а материалы, в которых происходит это явление — пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.).

Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации, что было доказано экспериментально П. и Ж. Кюри. Это явление было на­звано обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта нача­лось с 1917 г., когда французский математик и физик Поль Ланже-вен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладка­ми, понижающими резонансную частоту преобразователя. Вна­чале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве эхолота. Дальнейшее его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий, в том числе и подводных лодок.

Вскоре после изобретения Ланжевена появились первые разра­ботки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимате­лей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций, сил и ускорений и т.д.

Следующим важным этапом в истории применения пьезоэлектри­чества было использование пьезоэлектрических пластинок и стерж­ней в качестве элементов, стабилизирующих частоту электронных высокочастотных генераторов. Это применение основано на силь­ной зависимости электрического импеданса пьезоэлемента от часто­ты вблизи механического резонанса, на что впервые обратил внима­ние У. Кэди в 1922 г.

В 1925 г. пьезоэлектрическая пластинка была впервые применена для измерения акустических свойств вещества: Г. Пирс использовал ее в акустическом интерферометре для измерения скорости ультра­звука в газах.

Важным этапом применения пьезоэлектричества для практиче­ских целей было открытие возможности обнаружения внутренних дефектов в твердых телах при помощи ультразвуковых волн. При­оритет в этой области принадлежит отечественной науке: в 1928 г. С. Я. Соколов получил авторское свидетельство СССР на изобрете­ние первого ультразвукового дефектоскопа.

Следующим шагом в использовании пьезоэлектрических преобра­зователей в ультраакустических исследованиях веществ было разви­тие методов измерения скорости и поглощения ультразвука, осно­ванных на эффекте дифракции света на ультразвуковых волнах. Этот эффект открыли в 1932 г. Р. Дебай и Ф. Сире и незави­симо от них Р. Люка и П. Бикар. Работы, в которых этот метод использовался для измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях и твердых телах, начали появляться начиная с 1936 г.

В 1944 г. в физическом институте им.Лебедева АН СССР Б. М. Вул и И. П. Гольдман впервые в мире методом синтеза получили пьезо-керамический титанат бария (ВаТiОз). На основе титаната бария, предварительно поляризованного в сильном электрическом поле, вскоре были разработаны первые пьезокерамические электро­акустические преобразователи, которые сразу привлекли к себе внимание сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами, простотой технологии изготовления преобразователей различных конфигураций и сравнительной дешевизной исходных материалов.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлек­трических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей, таких как ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-хими­ческих свойств веществ и другие приборы, в которых широкое при­менение нашли пьезоэлектрические преобразователи, совершающие продольные колебания по толщине. Вместе с тем актуальной ста­ла разработка более эффективных электроакустических преобразо­вателей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов.

2. Природа пьезоэффекта

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физи­ческом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде по­явления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется ко­личество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная меж­ду гранями. Пьезоэлектрические датчи­ки относятся к генераторному типу. Ши­роко известны пьезоэлектрические звуко­сниматели: игла звукоснимателя воспри­нимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пьезокристалла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжа­тия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани крис­талла изменяются его размеры (он сжи­мается или разжимается). Обратный пьезоэлемент нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z—продольная ось, называемая оптической осью; X — поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы пер­пендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось Y — механической или нейтральной.

Рис. 1 Кристалл кварца

Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентирован­ных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под дей­ствием силы Fx вдоль электрической оси X на каждой из граней параллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электриче­ские заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических раз­меров кристалла, а определяется силой Fx:

где Ко — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлек­трический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направ­ления силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения FY вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы Fx (т. е. на гранях, перпендикулярных оси X), но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия FX. Соответственно сила сжатия Fyприводит к появлению зарядов натех же гранях и то­го же знака, что сила растяжения Fx-Величина зарядов под дей­ствием сил Fy зависит от геометрических размеров кристалла b и с (рис. 1) и пропорциональна силе:

Коэффициент К вформулах (1) и (2)один и тот же. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям X и У противоположна. Появление зарядов под влиянием силы Fx называется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы FY—поперечным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэлемента под действием сил Fx и FY электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Кроме того, да­же если сила приложена постоянно, заряды стекают через воздух или изоляцию. Поэтому пьезоэлектрические датчики используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием переменных сил заряды награнях все время восполняются. В пье­зоэлектрических датчиках получили применение кроме кварца сегнетова соль и титанат бария. Свойства кристаллов этих материалов, имеющие значение для изготовления пьезодатчиков, приведены в табл. 1.

Пьезоэлектрический модуль кварца сравнительно невысок. Но его главное достоинство низкая стоимость. Ведь кварц это один из самых распространенных породообразующих минералов, его состав (SiO2) тот же, что и уобычного песка. Кварц также имеет большую механическую прочность, хорошие изоляционные свойства, незначительную зависимость параметров от температуры.

Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект выражен в кристал­лах сегнетовой соли: при одной и той же силе появляется в тысячу разбольшее количество электричества, чем укварца. Однако эти заряды довольно быстро стекают из-за малого удельного сопротив­ления. Свойства сегнетовой соли изменяются в зависимости от тем­пературы и влажности. Поэтому пьезоэлементы из сегнетовой со­ли применяются для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности и нешироком диапазоне изменения темпера­туры окружающей среды.

Титанат бария имеет и большое значение пьезоэлектрического модуля (на два порядка выше, чем укварца), и высокую механиче­скую прочность, и независимость параметров от изменения влаж­ности. Его недостаток старение, со временем он теряет свои свой­ства (примерно на 10% загод).

3. устройство пьезодатчиков

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 2 показано устройство пьезо­электрического датчика давления с двумя кварцевыми пластина­ми. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляю­щую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 со­единена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему изме­ряемое давление распределяется по поверхности кварцевых плас­тин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, ис­пользуемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерцион­ной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относи­тельно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента 1 и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляцион­ную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота вибро­ускорений 5 Гц.

Рис. 2 Пьезоэлектрический Рис. 3 Пьезоэлектрический

датчик давления. датчик ускорен

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому кон­денсатору. Количество электричества q, появившееся под воздейст­вием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соеди­ненные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U=q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как прира­щение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае:

где п— количество пластин; Ко — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины; Свх — емкость измерительной цепи; С — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденса­тора:

Где ε— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; εо=8,85*10 -12 Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10 -12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=SДF, где F — измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика Ro и сопротивление измерительной це­пи RBX. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Т= (R/n + Rвх)x Х(пС + Свх). При практически реализуемых значениях сопротив­ления датчика Ro (десятки и сотни МОм) и его емкости С (десят­ки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электрон­ные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной це­пи до 10 13 Ом. Для увеличения постоянной времени разряда парал­лельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измери­тельных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) удар­ных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преи­мущество перед датчиками других типов.

5. Классификация пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму, не менее обширному классу пьезодатчиков относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что

позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

Классификация пьезодатчиков проводиться по следующим

1. По применяемому материалу:

– монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.);

Пьезоэлектрический датчик: принцип действия, конструкция, область применения

Автор: Пользователь скрыл имя, 20 Марта 2012 в 15:33, контрольная работа

Файлы: 1 файл

в-12.doc

1. Пьезоэлектрический датчик: принцип действия, конструкция, область применения.

Работа пьезоэлектрического датчика основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании механической энергии в электрическую. Пьезоэлектрический эффект возникает из-за связи между электрическими и механическими свойствами материала, обычно – кристаллического.

Когда к пьезоэлектрику прикладывается механическое напряжение, он поляризуется в указанном направлении, и между его гранями появляется электрическая разность потенциалов. Величина механического напряжения, приложенного к кристаллу, прямо связана с величиной его деформации, а, следовательно, и с разностью потенциалов между его гранями. Это позволяет по измеренной величине напряжения узнать величину действующей на пьезокристалл силы.

Конструкция пьезоэлектрического датчика.

Р — Измеряемое давление; 1- Пьезопластины; 2-Гайка из диэлектрика; 3-Электрический вывод; 4-Корпус (служащий вторым электрическим выводом); 5-Изолятор; 6-металлический электрод.

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла (например, пластинчатые биморфы) и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы). Пьезокерамические генераторы Они преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект.

Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте. В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации, мода 33) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации (мода 31)). В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т.п.

Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев совпадает) пьезокерамических биморфов. Наиболее распространены датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы). Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые (мода d33), поперечные (мода d31) и гибкие (мода d31). Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название — многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа — «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта. Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

— звуковые (ниже 20 кГц) — зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т.п.;

— ультразвуковые — высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха. Значительной группой выделяются так называемые ультразвуковые измерители расстояния в воздушной среде (Air Transducers), являющиеся пьезокерамическими компонентами. Они используются в качестве измерителей расстояния для автотракторной техники, сенсоров наличия и движения в охранных системах, в уровнемерах, для дистанционного контроля и управления, в устройствах отпугивания птиц, зверей и сельскохозяйственных вредителей и т.д. Производятся устройства трех типов: передающие, приемные и приемо-передающие;

— высокочастотные ультразвуковые — оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т.д.

Комбинированные пьезокерамические системы. Такие системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».

2. Особенности конструкции электромагнитного реле переменного тока; назначение короткозамкнутого витка.

Магнитная система электромагнитов постоянного и переменного тока различная. У электромагнита постоянного тока относительно небольшой зазор d, а сам магнитопровод может быть выполнен из сплошного цельного куска электротехнической стали.

У магнитов переменного тока система шихтованная, набранная из тонких листов электротехнической стали.

Так как через катушку протекает переменный ток, то и магнитный поток Ф изменяет свое направление и в какие то моменты времени становится равным нулю. В этом случае противодействующая пружина будет отрывать якорь от полюсного наконечника и возникнет дребезг якоря. Для устранения этого явления используются либо многофазовые электромагниты, либо короткозамкнутое кольцо, которое устанавливается на расщепленной части полюсного наконечника. Так как у катушек переменного тока определяющим является индуктивное сопротивление, а оно зависит от индуктивности, то в первоначальный момент , когда рабочий зазор d максимален и индуктивность минимальна, ток якоря максимален, то есть имеется бросок тока через катушку. При минимальном зазоре, когда якорь соприкоснется с полюсным наконечником, индуктивность возрастет и ток возрастет.

В электромагнитах переменного тока магнитное сопротивление зависит не только от , l, S сердечника, но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток, расположенных на сердечнике.

Катушка электромагнита постоянного тока выполняется достаточно высокой и тонкой, для улучшения условий охлаждения (потери мощности на постоянном токе только на чисто активном сопротивлении проводника).

Катушка электромагнита переменного тока выполняется более низкой, т.к. кроме потерь мощности в активном и индуктивном сопротивлении катушки имеются потери мощности на перемагничивание сердечника.

Как известно в электромагнитах переменного тока ток в обмотке сильно зависит от положения якоря. В клапанных элек­тромагнитах ток в притянутом состоянии в десятки раз меньше, чем при отпущенном якоре. Это затрудняет создание максимальных реле напряжения на базе клапанной системы, так как при напря­жениях, близких к напряжению срабатывания, через обмотку про­текает большой ток, выделяется мощность, в сотни раз превышаю­щая мощность в обмотке при притянутом якоре. Приходится сильно увеличивать габариты катушки, чтобы рассеивать большую мощ­ность, выделяемую при отпущенном якоре. Большим преимуществом реле серии ЭН является относительно небольшое изменение маг­нитной проводимости, в результате чего ток в обмотках мало ме­няется при повороте якоря. Это дает возможность иметь малые га­бариты обмоток.

Если отрывное усилие электромагнита будет РОТР, то дважды за период в точке А якорь электромагнита будет от­падать, а в точке В — снова притягиваться, т. е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной сис­темы и сопровождается гудением.

Для устранения вибрации электромагни­ты переменного тока снабжаются короткозамкнутыми витками из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими часть полюса электромагнита (70 — 80%).

Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электро­магнита Ф разветвляется на поток Ф1, который проходит по не охваченной витком части полюса, и на поток Ф2, который проходит через часть, охва­тываемую короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС еК.З, и возникает ток iК.З., сдвинутый по отношению к еК.З. на угол и опре­деляемый весьма незначительной индуктивностью витка. Для упрощения принимаем = 0. Ток iК.З , возбуждает магнитный поток ФК.З., который охватывает короткозамкнутый виток и вместе с частью основного потока образует поток Ф2, проходящий через часть полюса, охваченную витком, и сдвинутый во вре­мени по отношению к потоку Ф1 на угол (рис.7, б и в).

Сила притяжения электромагнита Р складывается из двух пульсирующих, но сдвинутых во времени сил Р± и Р2. Благодаря сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует много меньше и минимальное значение ее остается выше РОТР, чем и исключается вибрация якоря.

Наименее надёжным узлом электромагнитных реле является контактная система. Электрическая дуга или искра, образующиеся при размыкании и замыкании контактов, приводят к их быстрому разрушению. Этому также способ­ствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным не­достатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности. Попытки разместить контакты и электромагнитный механизм в герметизирован­ном объеме с инертным газом не приводят к положительным результатам из-за больших технологических конструктивных трудностей, а также из-за того, что контакты при этом не защищаются от воздействия продуктов износа и старения изоляционных материалов. Другим не­достатком электромагнитных реле является их инерцион­ность, обусловленная значительной массой подвижных де­талей. Для получения необходимого быстродействия при­ходится применять специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

Пьезоэлектрические датчики

17. Пьезоэлектрические датчики

Физические явления при пьезоэффекте

Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение. Это явление называется прямым пьезоэффектом. И наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что представляет собой обратный пьезоэффект.

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др.

Физические явления, происходящие при пьезоэлектрическом эффекте, рассмотрим на примере широко известного пьезокристаллического материала — кварца, как показано на рис. 1.

Чтобы получить хорошие пьезоэлектрические свойства, кварцевые кристаллы следует точно ориентировать. Природные формы кристаллов также ограничиваются простейшими конфигурациями, например пластинками или дисками.

Рис. 1. Схемы продольного (а) и поперечного (б) сжатия и сдвига (в) в кристалле кварца

Деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма поляризационных векторов в силу симметрии равна нулю.

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, под воздействием силы, направленной по этой оси X, называется продольным пьезоэффектом.

Эффект образования электрических зарядов на гранях, перпендикулярных механически нагружаемым, называется поперечным пьезоэффектом.

При равномерном нагружении кристалла со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии) кристалл кварца остается электрически нейтральным. Кристалл кварца остается также электрически нейтральным при механическом нагружении, действующем вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y. Эта ось называется оптической осью кристалла.

При механическом воздействии сдвига, как показано на рис. 1, в, геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X оказывается равной третьему вектору направленному вдоль оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, поляризационных зарядов не возникает. Однако проекции векторов Р2 и Р3 на ось Y между собой не равны, и на гранях, перпендикулярных оси У, возникает заряд.

Кроме естественных кристаллов, подобных кварцу или турмалину, для получения пьезоэффекта может быть использована также и пьезокерамика.

Конструктивные принципы построения пьезодатчиков

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются их малые габариты, надежность в работе, простота конструкции, возможность измерения переменных, в том числе высокочастотных, величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический сигнал.

18. Эффект Холла и его использование для построения датчиков

Преобразователь, использующий эффект Холла, является преобразователем, базирующимся на магнитных эффектах, и применяется для измерения напряженности магнитного поля. Эффект Холла в разной степени имеет место у всех материалов. Сущность эффекта Холла показана на рис. 3.

Если пластина полупроводника единичной толщины помещается в магнитное поле с напряженностью В, а вдоль нее течет ток величиной I и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнитного поля, то на движущиеся внутри этой полупроводниковой пластины носители заряда (электроны и ионы), образующие электрический ток, будет действовать сила, направленная вдоль плоскости их движения и перпендикулярная вектору напряженности магнитного поля. Это значит, что движение носителей заряда будет отклоняться от прямолинейного и на боковых гранях пластины возникнет разность потенциалов Uo, определяемая выражением:

Рис. 3. Эффекта Холла

С их помощью можно измерять угловые и линейные перемещения, электрические токи и др.

Рис. 4а – принципиальная конструктивная схема датчика давления на основе эффекта Холла.

При повышении давления Р постоянный магнит 2, размещенный на упругой мембране 1 датчика, перемещается относительно чувствительного элемента 3, основанного на эффекте Холла. В результате на обкладках датчика возникает выходное напряжение UH порядка 0,5 В, в определенных пределах пропорциональное входному перемещению. Линейная часть статической характеристики датчика показана на рис. 4б.

Рис. 4 Датчик давления, основанный на эффекте Холла

19. Емкостные преобразователи Физические принципы построения емкостных преобразователей

Сущность работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении под действием измеряемой физической величины их электрической емкости, что, в свою очередь, отражается на величине их входного сигнала.

Электрическая емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, определяется по формуле

где n-число пластин; A — площадь одной стороны пластины; d — толщина диэлектрика, расположенного между пластинами; ε, — относительная диэлектрическая проницаемость этого диэлектрика; εn— диэлектрическая проницаемость вакуума, т.е. вполне определенная константа.

Для измерений смещений менее 1 мм применяют емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами. Для измерения смещений, превышающих 1 мм, чаще всего используются преобразователи с изменяющейся площадью перекрытия пластин.

Емкостные преобразователи могут быть использованы как для статических, так и для динамических измерений, но применяются главным образом в стационарных условиях для проведения стендовых исследований и прецизионных измерений физических величин.

Конструктивные принципы построения емкостных датчиков механических величин

Емкостные датчики широко применяются для измерения таких механических величин как вибрации, перемещения, скорости, ускорения, усилия, крутящие моменты и давление.

Распространенным устройством, преобразующим акустические колебания окружающей воздушной среды в соответствующие электрические сигналы, является емкостный микрофон рис. 6.


Рис. 6. Конструктивная схема емкостного микрофона

Конструктивная схема емкостного микрофона, который содержит размещенные в корпусе 1 мембрану 2 из электропроводящего материала, неподвижную пластину 3, установленную на диэлектрике 4, и демпфирующий слой 5. При изменении акустического давления мембрана 2 деформируется и изменяется ее расстояние до пластины 3. В результате происходит изменение электрической емкости микрофона, что и используется.

Конструктивные принципы построения емкостных датчиков уровня жидкости

Различают два случая: когда жидкость, уровень которой измеряется и регулируется, является диэлектриком и когда эта жидкость является проводником.

На рис. 10 изображена конструктивная схема измерения уровня жидкости, являющейся диэлектриком, с помощью емкостного преобразователя.

Рис. 10. Конструктивная схема емкостного измерения уровня жидкости-диэлектрика

Конструктивные принципы построения емкостных датчиков параметров среды

Емкостные датчики широко применяются для измерения различных параметров окружающей среды. Одним из самых важных параметров такого рода является давление жидкости или газа.

20. Оптоэлектронные преобразователи Основные свойства оптического излучения

Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы, перемещения, скорости, акустических параметров, напряженности электрического и магнитного полей.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны в диапазоне длин волн от 0,001 до 1000 мкм. Этот диапазон длин волн принято делить на три поддиапазона — ультрафиолетовую область, область видимого света и область инфракрасного излучения.

Для описания оптических явлений используются три системы величин: энергетическая, световая и квантовая.

Одночастотный поток называют монохроматическим.

Если волны отдельных излучений, из которых состоит поток, находятся в одной и той же фазе по отношению друг к другу, то такой поток называют когерентным.

Каждый электрик должен знать:  Электронные фотоэлементы

Когда световой поток проходит через границу раздела двух сред, то его направление меняется, происходит так называемое преломление света

Существует два основных метода измерения параметров оптического излучения: метод радиометрии и метод фотометрии.

Метод радиометрии позволяет определять энергию оптического излучения путем ее поглощения и преобразования в соответствующем датчике с последующим определением изменения температуры.

Метод фотометрии основан на зрительном ощущении изменений видимого света, и основным чувствительным элементом в этом случае является человеческий глаз.

Источники и приемники излучения

Естественным источником светового излучения является солнце. Широко применяются лампы накаливания с вольфрамовой нитью.

В настоящее время все более широкое применение получают лазерные источники излучения. Лазеры бывают газовыми, твердотельными и полупроводниковыми. Наибольшее распространение получили газовые лазеры, характеризующиеся монохроматичностью и поляризованностью излучаемого ими когерентного света.

Приемники излучения можно разделить на две группы: интегральные и селективные. К интегральным относятся приемники излучения, базирующиеся на преобразовании энергии излучения в температуру независимо от длины его волны. К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи, настраиваемые на ту или иную определенную длину волны излучения. К ним относятся преобразователи, использующие явления внутреннего и внешнего фотоэффекта: фоторезисторы, фотодиоды, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители и т.п.

Существуют приемники излучения, выполненные в виде полоски из двух различных металлов, образующих термопару. Существуют также приемники излучения, выполненные в виде полоски или стержня из металла или полупроводника, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры (болометр).

В качестве источников света чаще всего используют светодиоды и полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников — полупроводниковые фотодиоды.

В основе передачи светового сигнала по оптическому волокну лежит явление полного внутреннего отражения.

Основные конструктивные схемы оптоэлектронных преобразователей

В механообрабатывающем производстве и в соответствующих исследованиях наиболее удобно применять амплитудную модуляцию оптического излучения.

Может быть осуществлена за счет:

• ослабления светового сигнала в среде при изменении коэффициента поглощения;

• изменения поперечного сечения оптического канала;

• генерации дополнительного излучения при воздействии измеряемого физического фактора;

• изменения отражательной или поглощательной способности при изменении показателя преломления или при нарушении полного внутреннего отражения.

В автоматизированном производстве контроль качества обработанной поверхности осуществляется с помощью датчиков шероховатости, принцип действия которых основан на рассеянии светового луча.

Оптические методы довольно широко используются для измерения давлений. Схема приведена на рис. 6. Между светодиодом 7 и двумя фотоприемниками 2 и 3 размещена шторка 4, перекрывающая поток излучения, который падает на один из фотоприемников 2 или 3. Шторка 4 жестко установлена на эластичной мембране 5, воспринимающей измеряемое давление. Для того чтобы произвести перекрытие светового потока между светодиодом 1 и фотоприемниками 2 и 3, достаточно перемещения шторки 4 на доли миллиметра.

Рис. 6. Схема простейшего оптического датчика давления

Общим недостатком названного способа оптического измерения скорости потока является то, что, будучи помещенными в поток жидкости, датчики вызывают возмущения этого потока. Подобных искажений удается избежать, применяя бесконтактные методы измерений, основанные на использовании лазера (применяя так называемые лазерные анемометры).

Суть лазерных методов состоит в том, что луч лазера разделяется в полупрозрачном зеркале на два луча, которые фокусируются в одной точке в пределах прозрачного участка трубопровода. Пройдя через жидкость, рассеянный ею свет попадает на фотоумножитель, где преобразуется в напряжение, пропорциональное измеряемому расходу жидкости.

21. Электромагнитные преобразователи Основные принципы работы

Электромагнитные преобразователи представляют собой один или несколько контуров, по которым могут протекать электрические токи, находящиеся в магнитном поле.

Электромагнитные преобразователи характеризуются такими параметрами как величина и направление токов, протекающих через контур, потокосцепление и индуктивность. Выходной величиной для таких преобразователей могут быть индуктивность, электромагнитная сила и индуктируемая в контуре ЭДС.

Рис. 1. Схемы электромагнитных преобразователей

Рис. 1а – принципиальная схема индуктивного преобразователя с ферромагнитным сердечником. Индуктивность L зависит от положения сердечника, что и является входной величиной датчика. Преобразователи, выходная величина которых зависит от внешнего магнитного поля, называются магнитомодуляционными.

Рис. 1б — принципиальная схема магнитоупругого преобразователя. Под действием приложенной силы происходит деформация ферромагнитного сердечника, в результате чего изменяется его магнитная проницаемость. Такие преобразователи часто используются для измерения сил и давлений.

Рис. 1в – такие преобразователи называются магнитоэлектрическими и используются в измерительных системах электромеханических приборов.

Рис. 1г — ферромагнитный сердечник втягивается в контур (катушку) с током таким образом, чтобы индуктивность контура была минимальной. Сила втягивания при этом пропорциональна квадрату силы тока. Такие преобразователи используются в электромагнитных измерительных приборах.

Рис. 1д — показано, как применяют ферромагнитные магнитопроводы, чтобы усилить электромагнитное поле и сконцентрировать его в определенной области. Через обмотку 1 проходит переменный ток, а в рамке 2 наводится ЭДС, величина которой зависит от угла поворота этой рамки.

В промышленности применяют индуктивные преобразователи с переменной величиной зазора (для измерения перемещений от долей микрона до нескольких миллиметров), с переменной площадью зазора (для измерения перемещений до 15. 20 мм) и с подвижным цилиндрическим сердечником (индуктивные преобразователи соленоидного типа для измерения перемещений до 2000 мм).

Существуют также индуктивные преобразователи трансформаторного типа. Такие преобразователи представляют собой устройства, в которых входное перемещение изменяет величину индуктивной связи между двумя системами обмоток, из которых одна питается базовым переменным током, а с другой снимается выходной сигнал.

Такой преобразователь нашел широкое применение для измерения деформаций и усилий.

Положительным качеством индуктивных преобразователей является то, что они имеют большой по мощности сигнал на выходе и могут использоваться без усилителя. Индуктивные преобразователи широко используются в устройствах активного контроля размеров обрабатываемой детали, особенно при чистовых методах обработки.

Вихретоковые и магнитоупругие преобразователи

Принцип действия вихретоковых преобразователей заключается в изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при приближении к ним проводящего тела.

Существует три типа вихретоковых преобразователей:

— накладные (рис. 3а);

— экранные (рис. 3б);

Вихретоковый преобразователь состоит из катушки, магнитное поле которой искажается при приближении проводящей пластины или проводящего покрытия.

Подобные преобразователи используются для контроля линейных размеров и толщины тонких пластин и покрытий, а также для обнаружения внутренних дефектов и всякого рода трещин, отслоений, царапин и раковин.

Для вихретоковых преобразователей характерны относительно низкая чувствительность и наличие погрешностей, обусловленных изменениями электрических свойств проводящего тела.

Для построения датчиков неэлектрических величин в машиностроении также используется физическое явление изменения магнитной проницаемости ферромагнитных тел под действием приложенной к ним механической нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). На этом основано построение так называемых магнитоупругих преобразователей.

Магнитоупругие материалы характеризуются относительной упругой чувствительностью S, которая равна

где Δ/μ — относительное приращение магнитной проницаемости; δ — механическое напряжение в ферромагнитном материале, вызвавшее данное приращение магнитной проницаемости.

Все магнитоупругие преобразователи делятся на две группы.

К первой группе относятся преобразователи, в которых измеряется магнитная проницаемость чувствительного элемента в одном направлении.

В преобразователях второй группы измеряется изменение магнитной проницаемости, происходящее сразу в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Магнитоупругие преобразователи используются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Обладают высокой надежностью, так как не содержат подвижных частей и могут измерять как статические, так и динамические нагрузки.

Вращающиеся трансформаторы и резольверы, линейные и круговые индуктосины

Устройством, служащим для преобразования угла поворота одной катушки по отношению к другой в сдвиг фазы одного переменного синусоидального напряжения по отношению к фазе другого переменного синусоидального напряжения такой же частоты, является так называемый вращающийся трансформатор.

Вращающийся трансформатор представляет собой индукционную микромашину по типу двухфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор называется также резолъвером.

Другим распространенным типом датчиков, используемых для измерения программируемых координатных перемещений в станках с ЧПУ, являются так называемые линейные и круговые индуктосины.

Линейный индуктосин состоит из двух шкал, одна из которых устанавливается на подвижном, а другая на неподвижном узлах станка.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

В 1880 г. братья Кюри обнаружили, что в природных анизотропных кристаллах, например в не имеющих центров симметрии кристаллах кварца и турмалина, подвергаемых механическому напряжению, возникает электрический сигнал. В таких материалах обнаруживается и обратный эффект, а именно изменение размеров под влиянием электрического поля. При наложении на такие материалы переменного электрического потенциала в них возникают механические колебания.

Каждый кристалл характеризуется собственной резонансной частотой колебаний, которая может зависеть от его окружения. Обычно резонансные частоты пьезоэлектрических кристаллов лежат в радио- волновой области и составляют порядка 10 МГц. Собственная резонансная частота зависит от массы как самого кристалла, так и адсорбированного на нем материала. Адсорбция вещества на поверхности кристалла вызывает изменение его резонансной частоты (А/), которую можно измерять с исключительно высокой чувствительностью (500— 2500 Гц/мкг). Основанные на этом эффекте сенсоры могут характеризоваться пределами обнаружения порядка нескольких пикограммов.

Зависимость между изменением массы кристалла Ат за счет адсорбции определяемого вещества и изменением его резонансной частоты описывается уравнением Зауэрбрея:

где Ат — масса адсорбированного вещества, г; А — площадь адсорбирующей поверхности, см 2 ;/ — частота колебаний кристалла.

Например, для кристалла с частотой колебаний 15 МГц и определяемой Д/порядка 2500 Гц/мкг предел обнаружения может составить около 10 —12 г, или 1 пг.

В настоящее время в сенсорах применяют как природные, так и керамические пьезоэлектрики (в частности, титанаты бария и свинца). Пьезоэлектрическими свойствами обладают также некоторые полимерные материалы, например поливинилиденфторид (ПВДФ).

Схема пьезоэлектрического сенсора представлена на рис. 8.1.

Использование принципа пьезоэффекта для формирования сигнала сенсора можно продемонстрировать на примере химического сенсора на пары ртути. Известно, что между изменением частоты колебаний кварцевого пьезорезонатора и массой адсорбированного на его поверхности вещества существует линейная зависимость

Рис. 8.1. Схема типичного пьезоэлектрического сенсора

где F — резонансная частота колебаний пьезоэлемента, МГц ; S — площадь электрода пьезоэлемента, см 2 ; dm — масса адсорбированного на поверхности электрода вещества, г.

Если пластину кварца покрыть тончайшим слоем золота, которое легко образует амальгаму под воздействием паров ртути, то при измерении резонансной частоты такого устройства можно определить массу ртути на пластинах, а следовательно, и концентрацию ее паров.

В случае необходимости определить другие компоненты в газовой фазе используют соответствующие химические реагенты, дающие селективный отклик на поверхности резонатора в присутствии этих веществ. Масс-чувствительный пьезоэлектрический сенсор может успешно использоваться в качестве детектирующего элемента в приборах мониторинга газового состава окружающего пространства. Принцип работы пьезоэлектрического сенсора основан на изменении частоты колебаний кварцевого кристалла, покрытого специальным чувствительным материалом, взаимодействующим с анализируемым газом. Различные химические материалы, которые селективно поглощают соответствующий газ, используются в качестве чувствительного покрытия кварцевого кристалла. Предлагается использовать тонкие пленки нитрида титана в качестве чувствительного материала к аммиаку.

Часто удобнее пользоваться дифференциальным режимом измерений, реализуемым в системе с двумя сенсорами и колебательными контурами, показанной на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Принципиальная схема кварцевых кристаллических микровесов, включающих стандартный <.Ои рабочий (С?) кристаллические сенсоры, каждый из которых подключен к собственной колебательной цепи (О и 0?) с измерителями частоты (FC и FCt), соединенными через интерфейс с общим микропроцессором

Эта система, называемая кварцевыми кристаллическими микровесами (ККМ), привлекает к себе все больше внимания. При использовании этой системы отмечались проблемы, связанные с недостатком чувствительности и высоким уровнем шума. Предложена разновидность ККМ со специальной схемой усиления сигнала, называемая также гравиметрическим анализатором с усилением сигнала. Данное устройство использовали для измерения уровня щелочной фосфатазы (ЩФ). На поверхности пьезоэлектрического кристалла адсорбировали антитела против щелочной фосфатазы, а затем микровесы погружали в раствор 5-бром-4-хлоро-3-индолилфосфата, в результате чего на сенсорной поверхности выпадал осадок дефосфорили- рованного димера. Чувствительность сенсора составила 5 нг/см 2 ЩФ. Подобные микровесы разработаны для анализа Salmonella typhimurium и ДНК вируса Herpes simplex.

ККМ-сенсор представляет собой кварцевый резонаторный диск диаметром несколько миллиметров в с металлическими электродами с обеих сторон. При возбуждении переменным током кристалл характеризуется собственной резонансной частотой, определяемой, в том числе, его массой. При помещении сенсора в анализируемое вещество последние адсорбируются на поверхности полимерного покрытия и, следовательно, изменяют его массу.

Еще одна модификация ККМ — электрохимические кварцевые кристаллические микровесы (ЭККМ). На поверхности пьезоэлектрического кристалла тонким слой нанесен металл (например, золото), который служит рабочим электродом электрохимической ячейки. Устройство детектирует изменение массы электрода, происходящее вследствие:

  • а) адсорбции или десорбции монослоев;
  • б) осаждения или растворения электроактивных веществ в ходе окислительно-восстановительных процессов:
  • в) переноса веществ из раствора в поверхностную пленку.

Как правило, для ЭККМ используют кварцевый кристалл, срезанный с плоскости АТ, с частотой колебаний 10 МГц (рис. 8.3). Чувствительность ЭККМ составляет порядка 4 нг/Гц. На характеристики сенсора могут влиять плотность раствора и его вязкость, зависящая от температуры. В ЭККМ применяют электроды, модифицированные полимерами, в частности редокс-полимерами, политионином и по- ливинилферроценом.

Рис. 8.3. Схема электрохимических кварцевых кристаллических микровесов

Семейство пьезоэлектрических сенсоров для измерений приращения массы разделяется на два подвида: кварцевые кристаллические микровесы (ККМ) и сенсоры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Сенсоры на поверхностных акустических волнах — ближайшие родственники сенсоров, изготовленных по ККМ-технологии. Поверхностными акустическими волнами называются волны, распространяющиеся по поверхности устройства, не проникая в объем. ПАВ оперируют при значительно более высоких, чем ККМ, частотах. При этом ПАВ могут генерировать значительно большие изменения частоты регистрируемого сигнала. Селективность сенсорам, изготавливаемым по ПАВ-технологиям, придается (так же как и сенсорам в технологии ККМ) с помощью специальных полимерных покрытий.

Определенным недостатком сенсоров, построенных на измерении приращения массы, является сложная схемотехническая реализация. «Старение» чувствительных мембран (активных зон сенсоров) также представляет определенную техническую проблему, решение которой достигается программными методами, обеспечивающими своевременную подстройку прибора.

Нанося на поверхность пьезокристалла те или иные материалы, ее можно сделать селективной по отношению к определенному газу. Например, гикроскопичные покрытия из желатина, силикагеля или молекулярных сит придают поверхности селективность по отношению к водяному пару. Такого рода покрытия легко удалять с поверхности кристалла, что создает возможность для повторного использования пьезоэлектрического сенсора. Подобные сенсоры для определения содержания воды в воздухе выпускает промышленность.

Диоксид серы — один из основных загрязняющих воздух газов. Он образуется при сжигании ископаемого топлива и в качестве продукта сгорания содержится в выхлопных газах. Органические амины обратимо связывают диоксид серы:

Кроме того, органические амины связывают и другие газы, обладающие кислотными свойствами, например оксиды азота.

Разработаны весьма селективные и высокочувствительные сенсоры на сероводород — токсичный газ с неприятным запахом. Сероводород оказывает токсическое действие даже при очень низкой концентрации в воздухе, при которой его запах никак не ощущается. В пьезоэлектрических сенсорах на сероводород используются ацетаты меди, серебра или свинца [55].

Другой очень опасный газ, который может вызвать удушье, — монооксид углерода, иначе называемый угарным газом. Этот газ опасен еще и тем, что вообще не имеет запаха, часто образуется при неправильном пользовании отопительными установками. Пьезоэлектрический сенсор для определения монооксида углерода основан на том, что последний обладает свойствами восстановителя. В сенсоре при 210 °С происходит реакция восстановления оксида ртути (II) с образованием паров металлической ртути, которые и адсорбируются на селективной поверхности сенсора:

Ртутью активно пользуются в лабораториях; она присутствует в манометрах, электродах и термометрах. Для обнаружения токсических уровней ртути в воздухе создан сенсор с кварцевым кристаллом, покрытым тонкой золотой пленкой, с которой ртуть образует амальгаму. Сенсор можно регенерировать путем нагревания кристалла до 150 °С, поскольку при этой температуре амальгама разрушается.

В сенсорах на аммиак кварцевые кристаллы покрывали различными материалами, обладающими кислотными свойствами, например аскорбиновой кислотой, L-глутаминовой кислотой и пиридоксином (витамином В6). Последний позволяет получать сенсоры с особенно высокой чувствительностью. Кроме того, их легко регенерировать, поскольку пиридоксин связывается с аммиаком обратимо. Однако работе подобных сенсоров могут мешать другие газы, обладающие основными свойствами, например амины.

Пьезоэлектрические датчики ускорения

Принцип работы датчиков основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: когда пьезоэлектрический кварцевый кристалл или поляризованный пьезокерамический образец (далее — пьезоэлемент) подвергается действию внешней силы F, вследствие смещения кристаллической решетки на противоположных поверхностях материала аккумулируется электрический заряд, прямо пропорциональный величине приложенного воздействия [19].

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление электрической поляризации пьезоэлемента при механическом воздействии; пьезоэлемент вырабатывает электрический заряд, пропорциональный инерционной силе. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в деформировании материалов, помещенных в электрическое поле.

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения силы, давления, деформации (механического напряжения) и ускорения.

Пьезоэлектрический эффект линейный, но направление поляризации пьезоэлемента зависит от направления воздействующей силы. Различают продольные, поперечные и работающие на сдвиг пьезоэлектрические элементы (рис.1.4а-в).

Рис.1.4. Иллюстрации физических принципов пьезоэлектрических датчиков ускорения: а-в — иллюстрации зависимости поляризации пьезоэлемента от направления действующей силы F: а — продольная поляризация; F1, F2 — поперечные воздействующие силы; б — поперечная поляризация; F1, F2 — вертикальные силы; в — поляризация при сдвиге; F1, F2 — силы сдвига одной поляризуемой поверхности пьезоэлемента относительно другой; г — типичная рабочая частотная характеристика пьезоэлектрического датчика ускорения; д — эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика ускорения с высоким импедансом; е — схема устройства с низким импедансом: Q — пьезоэлектрический (кварцевый) элемент; CQ — емкость ПЕ-элемента; CК — емкость соединений и кабеля; RИ — сопротивление изоляции (выходное); U — выходное напряжение; ж — датчик ускорения, работающий на сдвиг: 1 — корпус датчика (верхняя часть условно не показана); 2 — пьезоэлектрические элементы; 3 — инерционная масса; 4 — компрессионное кольцо; 5, 6 — физически изолированные электроды для снятия положительного и отрицательного заряда, соответственно; 7, 8 — условное изображение проводных выводов зарядового сигнала.

В зависимости от конструкции и назначения датчика, оптимизированного и откалиброванного таким образом, чтобы получить при данном детектируемом воздействии максимальный заряд — выходной сигнал, сила F выполняет сжатие (растяжение), сдвиг или изгиб пьезоэлемента.

Типичная зарядовая чувствительность пьезоэлектрического акселерометра варьируется в диапазоне 0,5-1000 pC/g.

Природные кристаллы кварца являются одним из наилучших материалов для пьезоэлектрических сенсорных элементов. Кварц обладает способностью работы при температурах выше 300 °C, однородной чувствительностью в температурном диапазоне, высокой прочностью, линейностью эффекта, отсутствием гистерезиса при воздействиях различного рода, высоким выходным сопротивлением порядка 1014 Ом, допускающим работу при частотах менее 1 Гц (поясняется далее).

Кварцевые пьезоэлектрические (ПЕ) элементы представляют собой одиночные пластины или конфигурации, набранные из тонких пластин, соединенных в стеки.

Недорогой альтернативой кварцу являются пьезокерамические сенсорные элементы, которые производят компании, владеющие технологиями и специализированным оборудованием.

Среди других материалов, пригодных для создания пьезоэлектрических элементов, выделяются пьезоэлектрические полимерные пленки. Известны пленочные полимерные пьезоэлектрические датчики ускорения на их основе. Устройства данного типа недорогие, но их коммерциализация (включая области задач автоэлектроники) ограничена серьезными недостатками — низкой точностью, значительным разбросом характеристик, высокой чувствительностью к изменению температуры и давления.

ПЕ-датчики представляют собой активные устройства, что подразумевает получение электрического выхода только при значительном изменении нагрузки — переменного ускорения (динамический режим работы). Это означает следующее: в отличие от датчика, модель которого показана на рис.1.4, ПЕ — датчики не могут измерять статическое или так называемое DC-ускорение (включая возникающие под действием гравитационных сил), но в паре с формирователями сигнала кварцевые преобразователи способны выполнять квазистатические измерения. Типичное значение нижней частоты среза ПЕ — датчика — 1-2 Гц.

Изменения нагрузки происходят в течение промежутков времени порядка нескольких минут или часов.

В ПЕ — датчике ускоренная инерционная масса прикладывает силу F = ma к пьезоэлектрическому элементу (кварцевому кристаллическому или биморфному упругому элементу), вызывая его деформацию, которая обеспечивает достаточный динамический сигнал (рис.1.4). Поверхностный зарядовый сигнал, прямо пропорциональный силе F, снимается с электродов и усиливается усилителем заряда.

Двухслойные пьезокерамические элементы, способные выполнять функции компонента или узла.

Пьезоэлектрические датчики ускорения способны выполнять динамические измерения ускорений в диапазоне 10- 4 -10 4 g и выше, поэтому применение ПЕ-датчиков сконцентрировано в системах автоэлектроники с максимально высокими детектируемыми уровнями g (включая удары и вибрацию): в системах пассивной безопасности автомобиля для управления развертыванием фронтальных и боковых подушек безопасности и функционированием аварийных натяжителей ремней (максимальные детектируемые при авариях уровни ускорений 35-50 g), штанг против опрокидывания (4 g), электронного оснащения крэш-тестов, контроля детонации (до 400 g).

Полезный верхний частотный предел определяется резонансной частотой датчика, находящейся в килогерцевом диапазоне.

В зависимости от рабочей частотной области различают ПЕ — датчики нерезонансного типа (функционирующие в пределах плоского участка кривой, показанной на рис.1.4г) и резонансного типа (рабочий участок частотной характеристики находится в диапазоне эффективных частот, близких к резонансной частоте; детектируется изменение в резонансной частоте под действием ускорения.

Три наиболее распространенных типа конфигураций ПЕ — датчиков — сдвиг, изгиб и сжатие — описаны в (включая другие варианты) и проиллюстрированы на рис.1. 4 -5.

Рис.1.5. Примеры пьезоэлектрических датчиков ускорения для электроники: а, б — принцип работы биморфного пьезоэлектрического датчика, работающего на изгиб (концепция Bosch для аварийных натяжителей ремней и датчика неровности дороги [23]): а — в состоянии покоя; б — под действием ускорения: 1 — пьезокерамический биморфный упругий элемент, работающий на изгиб («measuring beam»); 2 — слои с антипараллельным (противоположным) направлением поляризации; а — ускорение; в, г — пьезоэлектрический датчик вибрации двигателя Bosch — пример продольного акселерометра [49]: в — конструкция датчика: 1 — инерционная масса, создающая силу сжатия F; 2 — корпус; 3 — пьезокерамический элемент; 4 — резьбовая основа; 5 — контакт (электрод); 6 — контакт (электрический разъем); 7 — блок двигателя; V — вибрация; г — рабочая характеристика датчика (чувствительность) как функция частоты f; д — датчик детонации Siemens Automotive: 1 — цилиндрический корпус; 2 — пьезоэлектрический материал; 3 — инерционная масса; 4 — электроды; 5 — радиальная выпуклость; X — ось перемещения сейсмической массы; P_ — плоскость, положение которой в данном устройстве регулируется; е — датчик Matsushita: 1 — цилиндрический корпус датчика; 2 — колебательная пластина — подложка (плата); 3 — пьезоэлектрический (керамический) элемент; 4, 5 — электроды; 6 — металлическое основание; 7 — периферийные точки металлического основания; 8 — центральное отверстие металлического основания; 9 — верхняя часть корпуса датчика; 10 — соединительные терминалы для соединения металлического основания и верхней части; 11 — цилиндрический воздушный зазор; 12 — электрические терминалы датчика; 13 — печатная плата датчика; 14 — медный участок платы; 15 — контактирующая часть (стержень); 16 — упругое кольцо; 17 — обжимка корпуса датчика (часть корпуса 1)

Компрессионные датчики ускорения на основе конфигурации «сжатие» (рис.1. 5в-д) представляют собой наиболее простые, технологичные структуры с высокой прочностью и износоустойчивостью. Датчики ускорения этого типа способны противостоять ударам с высокими уровнями g, но из-за близкого контакта считывающих кристаллов с основанием чувствительны к механическому напряжению на корпусе. Также очевидно, что наиболее эффективный способ повышения чувствительности компрессионного датчика — увеличение инерционной массы, но это не всегда желательно.

Вышеописанные базовые конфигурации допускают размещение встроенной обрабатывающей электроники, обеспечивают в итоге малый размер и вес датчиков (включая устройства, показанные на рис.1. 4).

Таким образом, достоинствами пьезодатчиков являются:

· способность детектирования высоких уровней g;


Пьезоэлектрические датчики

Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение, что называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом.

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля.

Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др. Поэтому кроме естественных кристаллов для получения пьезо-эффекта используется также и пьезокерамика. Но в отличие от естественных кристаллов пьезокерамика вследствие хаотической ориентации ее электрических диполей сразу после изготовления не обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Для приобретения таких свойств ее подвергают так называемой тренировке . Эта тренировка заключается в воздействии на пьезокерамический чувствительный элемент электрического поля в диапазоне от 10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже точки Кюри. После этого такой чувствительный элемент будет вести себя как монокристалл. Преимущество пьезокерамики, заключающееся в том что из нее оказывается возможным изготовлять детали сложной конфигурации, отличающиеся высокой химической стойкостью, при этом сохраняется. Однако керамический материал может и потерять свои пьезоэлектрические свойства, если он подвергается воздействию сильного переменного электрического поля или воздействию постоянного поля, противоположного первоначальному направлению поляризации, или если температура возрастает выше точки Кюри, или если измеряемое механическое воздействие превышает определенный уровень.

Такие элементы применяются для излучения акустических, в том числе ультразвуковых колебаний, а также в пьезоэлектрических реле и в исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов и т.д.

Это так называемые пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования на определенной резонансной частоте и резко уменьшающие этот коэффициент при отклонении от резонансной частоты. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в качестве задающего генератора колебаний. В зависимости от типа используемого кристалла и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы служат для выполнения двух различных функций:

  • для обеспечения высокостабильной собственной частоты, не зависящей от внешних условий;
  • генерации колебаний с управляемой собственной частотой (управляемые пьезорезонаторы).

Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в частотно-цифровых приборах в качестве преобразователей различных неэлектрических величин, таких как давление, температура, ускорение, в частоту электрических колебаний.

Пьезоэлектрические чувствительные элементы являются основой для наиболее точных преобразователей, используемых для изготовления датчиков давлений, ускорений и сил. В акселерометрах, работающих в условиях больших вибраций, особое значение имеет надежность крепления пьезочувствительных элементов к основанию прибора и инерционной массе. Обычно такое крепление осуществляется с помощью пайки. Высокие требования предъявляются также к кабелю, соединяющему датчик акселерометра с последующими элементами измерительной цепи (с усилителем).

Эти требования таковы:

  • большое сопротивление изоляции и ее надежность;
  • наличие экранирующей оплетки и малая емкость между проводящей жилой и экранирующей оплеткой;
  • гибкость и антивибрационная стойкость.

Для обеспечения симметричности сопротивления связи пьезодатчик обычно выполняется из нечетного числа пластин. Для повышения чувствительности пьезодатчиков их обычно выполняют на основе батареи пьезоэлементов, соединяемых между собой при помощи металлических (фольговых) прокладок.

В пьезоэлектрических преобразователях используют также фольгированную с обеих сторон пьезоэлектрическую пленку. Такую пленку предварительно складывают гармошкой , а после этого подвергают нагреву.

Увеличение чувствительности может быть достигнуто и за счет использования поперечного пьезоэффекта. Однако в этом случае тонкая пластинка, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость.

Для повышения устойчивости применяется жесткая коробчатая конструкция, состоящая из трех вертикальных пластин, у которых внутренние и внешние обкладки соединены между собой. Высокой чувствительностью обладают пьезопреобразователи, работающие на изгиб. Пьезоэлемент, называемый в этом случае биморфным, состоит из двух пластин. При действии изгибающей силы верхняя пьезопластина испытывает растяжение, а нижняя – сжатие, в результате чего на этих пластинах появляются заряды противоположного знака.Благодаря металлическим накладкам и прокладкам соответствующие напряжения выводятся наружу преобразователя, а дальше могут соединяться в зависимости от направления в них положительных осей как параллельно, так и последовательно.

Вместо одной из пьезопластин может использоваться металлическая накладка существенной толщины. Толщина этой металлической пластины для предполагаемой нагрузки выбирается таким образом, чтобы вся пьезопластина оказывалась выше нейтральной линии. Для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг.

Интеллектуальные пьезоэлектрические датчики в системах управления технологическими процессами Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Лопатин С. С., Панич А. Е.

Текст научной работы на тему «Интеллектуальные пьезоэлектрические датчики в системах управления технологическими процессами»

Биполярное питание прибора осуществляется с помощью специальной схемы от однополярного внутреннего или внешнего источника тока с напряжением 9

Диапазон рабочих частот для электронного блока рассмотренной виброиз-мерительной системы может составлять 2 Гц — 20 кГц. Исходя из конкретных условий применения использованы фильтры ограничивающие полосу частот в пределах 20 Гц — 6 кГц, погрешность измерения на базовой частоте 160 Гц не превышает 2%, а на остальных частотах рабочего диапазона не более 5%.

В качестве датчика вибрации использованы пьезоэлектрические виброизме-рительные преобразователи серии АК317, разработанные в НКТБ «Пьезоприбор».

Базируется портативная система для измерения вибрации на пьезоэлектрические акселерометры АК-317 (сертификат КИ.С.28.004.Л № 10666).

Разработка осуществлена на факультете высоких технологий РГУ совместно с НКТБ «Пьезоприбор» РГУ, руководитель к.т.н Янчич В.В., консультант Новак В.П.

С.С.Лопатин, А.Е.Панич ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

В управлении технологическими процессами можно выделить две системы, одна из которых воздействует на процесс, например, нагреватель или компрессор, а другая осуществляет измерение физических параметров процесса, например, температуры или давления. Эти системы связаны между собой через эксперта, который по определенным правилам регулирует процесс в заданных технологических границах. До недавнего времени роль такого эксперта выполнял оператор, который в зависимости от ситуации управлял системой воздействия на процесс. Успехи микроэлектроники последних двух десятилетий позволили переложить функции эксперта на компьютеры, успешно справляющиеся с задачами управления технологическими процессами благодаря высокому быстродействию и достаточной памяти. В результате измерительные системы все отчетливее стали приобретать характер не просто информационных, а высокоинтегрированных информа-ционно-управляющих систем. Рассмотрим в общих чертах, что понимается под такими системами и как функционирует цепь обратной связи управления технологическим процессом.

1. На входе эта система имеет, как правило, аналоговые чувствительные элементы, которые на основе простых физических принципов преобразуют параметры процесса в электрические сигналы.

2. Затем следует блок предварительной обработки сигналов, преобразующий измеряемый сигнал в нормализованные аналоговые сигналы или цифровой код.

3. Эти сигналы поступают в блок интеллектуальной обработки, который по определенному алгоритму делает заключение о достоверности информации и вносит в нее при необходимости коррекцию. На этом этапе может также происходить распознавание неординарных и аварийных ситуаций.

4. В конце этой цепи находится выходной блок, который используя стандартизованные сигналы, управляет системой воздействия на процесс, а также может осуществлять протоколирование измеряемых параметров.

Аналоговым чувствительным элементам присущи общие недостатки. Прежде всего к ним относятся шумы и артефакты, причиной которых является одина-

ковый отклик датчика на разные физические воздействия. В качестве примеров назовем пироэлектрическую чувствительность пьезокерамики или паразитные механические напряжения в мембране датчика давления, возникающие вследствие воздействия на него температуры или в результате старения материалов. За счет совершенствования материалов, конструкции и технологии можно улучшить линейность и уменьшить скорость старения такого чувствительного элемента, но температура остается глобальным параметром, влияющим на точность большинства датчиков.

Во времена аналоговой электроники имелось ограниченное число средств для автоматической коррекции измерений. С развитием вычислительной техники такая коррекция существенно упростилась: достаточно оцифровать сигнал чувствительного элемента, и его можно коррегировать по калибровочным таблицам, проводить Фурье-анализ, нормировать, осреднять, подвергать статистической обработке и т.д. в реальном времени. Так появилось направление интеллектуальной сенсорики, хотя, строго говоря, основные инновации касались не чувствительных элементов, а обработки сигналов. На первом этапе были разработаны датчики, передающие информацию в компьютер, который производил ее обработку и выдавал управляющие команды. В программах обработки данных измерений стали использоваться сложные алгоритмы коррекции и корреляции измерений, что значительно повысило точность и надежность управления процессами.

Каждый электрик должен знать:  Метод зеркальных изображений

Следующий этап интеллектуализации связан с интеграцией микромеханики и микроэлектроники. Возможность создавать сложные механические системы микронных и субмикронных размеров из монокристаллического кремния породили большой интерес к миниатюризации датчиков и их интеллектуализации. Кремниевая технология позволяет изготавливать микромеханические датчики и на том же кристалле формировать специализированный процессор с достаточными быстродействием и памятью, а также дополнительные датчики для коррекции влияния артефактов. Возможность свободного программирования микропроцессоров и записи в память калибровочных данных позволила поместить интеллект датчика в непосредственной близости от чувствительного элемента или даже имплементировать его в чувствительный элемент.

При этом возникли заманчивые перспективы. Во-первых, появилась возможность контролировать дополнительные параметры чувствительного элемента и отслеживать таким образом его исправность и достоверность измерений. Во-вторых, для регулировки процессами уже не обязательно использовать компьютер с его громоздкими коммуникациями, большим энергопотреблением и специализированными программами. Если датчик достаточно интеллигентен, то можно непосредственно им управлять исполнительными устройствами. В-третьих, благодаря интеллектуализации датчиков появилась возможность разгрузить управляющий компьютер и подсоединить к нему существенно больше интеллигентных датчиков, чем это было возможно раньше, когда каждое простейшее измерение требовало ресурсов компьютера. Все это позволяет существенно уменьшить затраты на контрольно-измерительную технику и одновременно повысить надежность сложных систем автоматического управления технологическими процессами.

Реализация этих идей происходит по принципу модульного конструирования в следующих направлениях:

— модернизация чувствительных элементов с применением современных микроэлектронных технологий и новых материалов;

— совершенствование методов цифровой обработки аналоговых сигналов, применение микропроцессоров и математической обработки информации в реальном времени;

— стандартизация команд и протоколов обмена информацией по шинам данных и через Интернет.

Основное направление интеллектуализации датчиков до недавнего времени связывалось преимущественно с интеллектуализацией электронной обработки сигналов, в то время как чувствительные элементы зачастую существенно не изменялись. Многие производители высокоточной контрольно-измерительной аппаратуры для управления технологическими процессами осуществляли основные инвестиции в электронику, поддерживая разработку чувствительных элементов лишь на минимально достаточном уровне.

Достоверность и надежность измерения можно повысить, если произвести не одно, а несколько независимых измерений одного и того же параметра разными методами с последующей корреляцией этих измерений. Например, наличие жидкости в сосуде можно определить по преломлению света на границе жидкость/воздух, по плотности, теплопроводности и диэлектрической проницаемости среды. Наиболее достоверным будет такое измерение, когда все четыре независимых физических параметра укажут на жидкость. При этом чувствительность измерения каждого отдельного параметра не обязательно должна быть очень высокой, хотя результат анализа по совокупности признаков оказывается абсолютно достоверным. Чувствительные элементы должны передавать адекватную и воспроизводимую информацию, причем их поведение в неординарных ситуациях должно быть предсказуемым. Имея системы таких чувствительных элементов, можно реализовать в микропроцессоре сложные алгоритмы самооптимизации, самонастройки и самозащиты, принципиально повышающие достоверность измерений.

В настоящее время понятие «датчик» расширяется от понятия «чувствительный элемент» до понятия «измерительная система», отражая процесс интеллектуализации сенсорики (рис. 1, 2).

Рис. 1. Первоначальное понимание датчика как чувствительного элемента измерительной системы с последовательным прохождением информации

Рис. 2. В настоящее время в понятие «интеллектуальный датчик» входит измерительная система, которая может состоять из одного или нескольких чувствительных элементов со сложными путями прохождения информации

Благодаря интеграции блоков обработки сигналов и интерфейса с чувствительными элементами появилась возможность не только считывать информацию с чувствительного элемента, но и конфигурировать его через блок интеллектуальной обработки. Иными словами, интеллектуальный датчик должен поддерживать диалог с интеллектом более высокого уровня и подчиняться его командам.

Рис. 3. Вибрационный датчик жидкости FTL-20 фирмы Еп^е88+Нашег ОшЬН+Со КО (Германия) [1]

В качестве примера рассмотрим пьезоэлектрический вибрационный датчик, который используется в концевых выключателях уровня жидкостей [1,2]. Один из таких датчиков, работающий по принципу камертона, показан на рис.3. Если камертон погрузить в жидкость, то его резонансная частота снизится благодаря присоединенной массе жидкости. Прибор надежно работает в жидкостях с плотностью не менее 0,5 г/см3 в интервале температур от -50 до 280°С (в зависимости от модификации). В принципе, стальные камертоны обладают достаточной чувствительностью, чтобы работать в средах с плотностью ниже 0,5 г/см3. Однако из-за температурного дрейфа резонансной частоты порядка 0,015 — 0,025 %/°С это не представляется возможным, если попутно не известна температура измеряемой среды. Дополнив измерение резонансной частоты измерением температуры и введя температурную коррекцию, можно создать интеллектуальный датчик, который в том же интервале температур будет надежно реагировать на изменение плотности среды в пределах +/- 0,001 г/см3.

Дальнейший путь интеллектуализации камертонного датчика — дополнительное измерение параметров добротности чувствительного элемента. Известно, что добротность резонатора зависит от внутреннего трения среды, в которую он помещен. В вязких средах независимо от их плотности добротность камертона

ниже, чем в невязких, что приводит к размытию пика амплитуды на резонансе. Современная микропроцессорная электроника позволяет измерить в реальном времени степень размытия резонансного пика. В результате датчик благодаря измерению вязкости и плотности среды может распознавать пены и давать существенно больше информации о свойствах жидкости, чем простой концевой выключатель уровня. Т аким образом, путем измерения совокупности параметров среды с помощью одного и того же чувствительного элемента можно создать интеллектуальный датчик, способный регулировать процесс не только по факту наличия жидкости, но и по ее важнейшим свойствам [3, 4]. Интересно, что все названные технические решения можно реализовать на одном и том же чувствительном элементе без каких-либо его усовершенствований. Для этой цели подходят как вибрационные датчики, выпускавшиеся в начале 80-х годов, так и современные.

Реализация названных решений происходит не на уровне чувствительных элементов, а на уровне комплексной обработки сигналов нескольких чувствительных элементов или измерений нескольких независимых параметров. Вместе с тем, чем более ответственные решения должен принимать блок электронной обработки, тем более надежной и достоверной должна быть исходная информация. Надежность и достоверность измерений чувствительных элементов является одним из важнейших направлений разработки интеллектуальных датчиков. Под интеллектуализацией чувствительного элемента понимается не столько улучшение его метрологических характеристик, хотя в современной сенсорике эта задача остается актуальной, а разработка таких устройств, в которых бы дополнительно осуществлялись:

— проверка чувствительного элемента на отказ;

— проверка степени его эксплуатационной пригодности (predictive maintenance);

— электронная адаптация чувствительного элемента к условиям эксплуатации.

Если рассматривать выходы из строя чувствительных элементов при их эксплуатации в разрешенных условиях, то следует отличать систематические отказы, причиной которых являются недостатки конструкции, и случайные, связанные с труднообнаружимыми дефектами сборки, отклонениями параметров деталей за границы спецификаций и т.д. Систематические ошибки у крупных производителей датчиковой аппаратуры, как правило, не встречаются. Нас будут интересовать, прежде всего, случайные отказы, типичная вероятность которых для лучшей индустриальной измерительной аппаратуры в пределах гарантийного срока составляет 0,1 — 0,5%.

Такие отказы проявляют себя либо внезапно, например, в результате потери контакта непропаянной ножки микросхемы с платой, обрыва проводника, либо в виде постепенного увеличения ошибки измерений в результате, например, старения чувствительного элемента вплоть до выдачи недостоверных данных. Интеллектуальный чувствительный элемент должен допускать выявление не только внезапного отказа, но и такой ситуации, когда показания прибора еще достоверны, но имеют тенденцию стать в ближайшее время недостоверными. В первом случае требуется экстренная замена датчика и остановка технологического процесса. Во втором случае процесс можно не останавливать, а замену датчика осуществить в подходящее время. И в том и в другом случаях аварийная ситуация практически исключена.

Рассмотрим, как в современных пьезоэлектрических датчиках решается проблема контроля внезапного отказа чувствительного элемента.

Простой способ распознавания отказа измерительной системы заключается в дублировании функций чувствительного элемента и канала обработки сигнала в одном датчике. При этом исходят из очевидного факта, что одновременный отказ обоих чувствительных элементов при использовании прибора в допустимых эксплуатационных условиях является маловероятным. Измерение в таком датчике происходит с периодическим переключением с одного измерительного канала на другой. Результаты каждой пары измерений в этих каналах сравниваются друг с другом, и если они отличаются больше допустимой нормы, то датчик выдает сигнал отказа.

Примером такой измерительной системы служит вибрационный датчик уровня жидкости, описанный в [5]. На рис. 4 показана блок-схема прибора, поясняющая его работу. В этом датчике имеются два независимых приемных пьезоэлемента, осуществляющие положительную обратную связь для двух независимых автогенераторов, которые возбуждают резонансные колебания лопаток камертона. Эти каналы периодически переключаются контроллером и измеренные в каждом канале частоты сравниваются. Если происходит обрыв проводника или отказ электронной схемы одного из автогенераторов, то показания измерений в каналах будут отличаться друг от друга, что однозначно свидетельствует о выходе прибора из строя. Такие датчики отличаются высокой надежностью и хорошо зарекомендовали себя для защиты емкостей от перелива.

Рис. 4. Схема вибрационного датчика жидкости с двумя независимыми измерительными каналами [5]

Та же задача распознавания отказа датчика в результате обрыва проводника или разрушения пьезоэлемента может быть решена с помощью контроля тока, протекающего в цепи пьезоэлемента. В вибрационном датчике, описанном в патенте [6], пьезоэлемент возбуждается сигналом прямоугольной или трапецио-дальной формы. Сигнал на сопротивлении R (рис. 5) имеет сложную форму (рис. 6). Пики напряжения при переходе возбуждающего сигнала между высоким и низким уровнями (точка C на схеме) вызваны перезарядкой суммарной емкости пьезоэлемента и кабеля. Площадь этих пиков не зависит от среды, в которую помещен чувствительный элемент. Синусоидальная компонента возникает в результате резонансных колебаний лопаток камертона и в случае сильного демпфирования, например, в вязких средах, может отсутствовать. При обрыве кабеля или нарушении целостности пьезоэлемента емкость измерительного канала уменьшится, что приведет к уменьшению тока перезарядки, а, следовательно, и к уменьшению пиков

напряжения на сопротивлении R. Это распознается компаратором, который выдает сигнал отказа чувствительного элемента.

Рис. 5. Схема вибрационного датчика жидкости с постоянным контролем

Рис. 6. Эпюры напряжений в точках на схеме 5

Т акая система эффективна для распознавания снижения сопротивления изоляции в результате, например, конденсации влаги на проводниках. В этом случае в

цепи пьезоэлемента помимо тока перезарядки емкостей будет протекать ток проводимости через конденсат и площадь пиков напряжения на сопротивлении R увеличится.

Контроль тока перезарядки емкостей в цепи пьезоэлемента позволяет своевременно распознавать обрыв кабеля, окисление и коррозию контактов, нарушение целостности пьезоэлемента и снижение сопротивления изоляции.

В щелевых ультразвуковых концевых выключателях рассмотренный алгоритм контроля недостаточно эффективен, так как в конструкции датчика имеются критические клеевые соединения пьезоэлементов с корпусом (рис.7), которые могут отслаиваться. Трещина в клеевом шве приводит к полному выходу датчика из строя, что не отражается на емкости нагрузки генератора. Такого рода отказы можно выявить, если в приборе предусмотреть измерение амплитуды ультразвукового сигнала, передаваемого от одного пьезоэлемента к другому не через измеряемую среду, а по корпусу датчика [7, 8]. При правильном учете скоростей звука в измеряемых средах и в материале корпуса датчика можно надежно разделить временные интервалы сигналов, прошедших через среду и по стенке корпуса (рис. 8).

Рис. 7. Датчик ультразвукового концевого выключателя уровня щелевого типа [7]: 1 — пьезоэлектрический элемент, 2 — стальной или пластмассовый корпус датчика, 3 — заливочный компаунд, 4 — проводники

1 III 1 і |М| ll.ll I1′ 1,

Сигнал Сигнал Сигнал

посылки через через Время

Рис. 8. Диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы ультразвукового выключателя уровня щелевого типа, показанного на рис.7.

1 — сигнал посылки; 2 — сигналы, принятые в отсутствие жидкости; 3 — сигналы, принятые погруженным в жидкость датчиком; 4 — временные окна для распознавания состояния датчика. Сигнал через корпус приходит независимо от того, погружен датчик или нет, и используется для контроля целостности клеевых швов

В последнее десятилетие также получили развитие датчики, способные не только диагностировать случайные отказы, как это было рассмотрено выше, но и степень своей пригодности для измерения физических параметров. Речь идет об интеллектуальных датчиках с оценкой степени эксплуатационной пригодности (predictive maintenance).

В качестве примера рассмотрим камертонный концевой выключатель уровня, аналогичный показанному на рис.З. При длительном использовании такого датчика в горячей воде на чувствительном элементе образуется слой накипи, увеличивающий массу лопаток камертона. В результате образования отложений резонансная частота камертона в воздухе понижается настолько, что прибор не может переключаться из состояния «заполненный» в состояние «пустой». Для своевременного распознавания таких отказов предложено контролировать массу лопаток с помощью высокочастотной моды колебаний камертона (рис.9) [9]. На основной моде колебаний камертон обладает наибольшей чувствительностью к плотности среды, так как площадь воздействия на среду колеблющихся лопаток максимальна. На высокочастотной моде, показанной на рис.9, эта площадь минимальна, поэтому частота камертона очень слабо зависит от плотности жидкости. Вместе с тем, эта частота существенно зависит от массы лопаток, что и используется для оценки количества отложений.

Рис. 9. Моды колебаний камертона, используемые для распознавания жидкости (1 — основная мода) и отложений или коррозии ( 2 — высокочастотная мода).

Различие в окраске стрелок обозначает отличие фазы колебаний на 180°

Согласно предложенному решению [9], электронный блок периодически переключается на возбуждение высокочастотной моды и измеряет частоту резонанса на ней. По мере осаждения накипи эта частота снижается, достигая порогового значения, после чего прибор выдает предупреждение о необходимости замены чувствительного элемента. Аналогичным образом реализуется контроль степени коррозии камертона. При точечной коррозии уменьшается жесткость лопатки камертона, а при равномерной коррозии — ее масса. В обоих случаях изменяется частота резонанса на высокочастотной моде, что служит признаком приближающегося отказа датчика.

Другим примером интеллектуальных датчиков с оценкой степени эксплуатационной пригодности может служить акселерометр, описанный в [10]. В конструкцию такого акселерометра входят два различных пьезоэлектрических материала, отличающиеся температурной зависимостью пьезомодуля. Если эти зависимости известны, то разница чувствительности указанных пьезоэлементов является параметром, зависящим от температуры. С помощью коррекции измерений по калибровочной таблице можно существенно повысить точность измерения ускорения в широком интервале температур. Если дополнить этот датчик измерением температуры, то появляется возможность отслеживать степень деполяризации пьезоэлементов в результате температурного старения материалов или их чрезмерного сжатия при ударных нагрузках. Для этого пьезоэлементы должны обладать различными степенями деполяризации в зависимости от давления и различными скоростями старения в зависимости от температуры. Подходящие для этой цели пьезокерамические материалы известны в системах Ва2КаКЬ5015 -РЬ2КаКЬ5015 со структурой калий-вольфрамовой бронзы [11], в которых имеется морфотропная граница между одноосными (180°-ные домены) и двухосными (90°-ные домены) сегнетоэлектрическими твердыми растворами. Под действием сильного сжатия в направлении поляризации двухосные материалы благодаря переключению 90°-ных доменов деполяризуются существенно сильнее, чем одноосные. Этот эффект можно использовать для реализации акселерометра с предсказуемым поведением.

Интересные конструкции пьезоэлектрических ультразвуковых датчиков можно реализовать с использованием изменения упругих характеристик пьезокерамических материалов. Известно, что упругость пьезоэлемента зависит от того, замкнуты или разомкнуты его электроды. При этом модули упругости пьезокерамики на основе ЦТС в этих двух состояниях отличаются до 25%, что позволяет заметно изменять частоту резонанса вибраторов на толщинных колебаниях.

На рис. 10 показан резонатор Ланжевена, в котором активная часть пьезоэлементов используется для возбуждения продольного резонанса, а пассивная часть — для изменения упругости резонатора. Поскольку частота резонанса зависит от упругих характеристик его составных частей, изменяя упругость пассивной части пьезоэлементов путем замыкания или размыкания электродов, можно в определенных пределах изменять эту частоту. На экспериментальных образцах подобных вибраторов с пьезокерамикой PZT-5А и стальными накладками было достигнуто смещение резонансной частоты до 8% только в результате замыкания и размыкания электродов пассивных пьезоэлементов.

Эффект изменения жесткости пьезокерамики можно использовать для контроля степени поджатия накладок и пьезоэлементов в резонаторе Ланжевена (рис.10). В конструкции, состоящей из нескольких элементов, общая жесткость определяется наименее жестким элементом. Если жесткость пьезоэлементов соизмерима с жесткостью конструкции резонатора, то путем замыкания и размыкания электродов пассивной группы пьезоэлементов можно в определенной степени изменять резонансную частоту этого резонатора. В случае ослабления поджатия в резонаторе изменение жесткости пассивных пьезоэлементов оказывает меньшее влияние на частоту резонанса, так как доминирующей является жесткость самого слабого элемента конструкции. На рис.11 показано влияние силы поджатия болтом на изменение резонансной частоты преобразователя Ланжевена в результате короткого замыкания пассивной группы пьезоэлементов. Эксперименты показывают, что с помощью такого простого измерения можно своевременно распознать ослабление поджатия в резонаторах Ланжевена до того, как датчик выйдет из строя.

Рис. 10. Ультразвуковой преобразователь Ланжевена с пассивными пьезоэлементами, позволяющими подстраивать резонансную частоту

Рис. 11. Влияние силы поджатия в резонаторе Ланжевена на изменение частоты резонанса в результате короткого замыкания электродов. Измерения выполнены на преобразователе Ланжевена с двумя стальными накладками толщиной 15,5 мм и кольцевыми пьезоэлементами из PZT-5А с внешним диаметром 11, внутренним — 6 мм и толщиной 1,5 мм (активная часть состояла из 2-х пьезоэлементов, а пассивная — из 8-ми)

Эффект управляемой жесткости пьезокерамики может найти применение в ультразвуковых эхолотах, датчики которых имеют □ /4-слой для согласования акустических импедансов преобразователя и нагрузки. Накладки резонаторов Ланже-вена обычно изготавливают из металлических сплавов, а для согласования с воздухом используются полимеры. Температурные зависимости скоростей звука ме-талов и полимеров сильно отличаются. В результате датчик, согласованный при комнатной температуре, становится рассогласованным и теряет эффективность при повышенных или пониженных температурах. С помощью подстройки частоты резонанса вибратора благодаря изменению упругости пьезоэлементов можно обеспечить акустическое согласование датчика со средой и обеспечить тем самым его высокую эффективность в широком интервале температур.

Последний пример иллюстрирует принцип адаптации чувствительного элемента к условиям эксплуатации. Отличительной особенностью адаптивных датчиков является возможность динамично управлять с помощью электронных цепей их физическими характеристиками. Это направление в разработке чувствительных элементов пока довольно ново, но в будущем адаптивные датчики будут играть возрастающую роль в развитии измерительной аппаратуры.

Таким образом, в разработке интеллигентных датчиков выделяются три основные направления конструирования чувствительных элементов:

— контроль чувствительного элемента на внезапный отказ;

— предсказуемое поведение чувствительного элемента и мониторинг степени его эксплуатационной пригодности;

— адаптация чувствительного элемента к условиям эксплуатации.

Использование интеллигентных чувствительных элементов позволяет реализовать более надежные алгоритмы обработки измеряемой информации и вплотную приблизить функции контрольно-измерительной аппаратуры к функциям живых организмов, отличающихся своей возможностью адаптироваться к окружающей среде, самообучаться, регенерировать утраченные функции, осуществлять самоконтроль и самозащиту.

1. Brutschin W., Lopatin S. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Uberwachung des Fullstandes eines Fullguts in einem Behalter. — Offenlegungsschrift DE 10022891 A1.

2. Lopatin S., Pfeiffer H., Muller A., Dreyer V., Brutschin W. Apparatus for establishing and/or monitoring a predetermined filling level in a container. — Pat. US 6236322 B1.

3. Lopatin S., Muller A. Method and device for determining and/or monitoring the level of medium in a container, or for determining the density of a medium in a container. — Int. Verof-fentlichungsnummer WO 02/42724 A1.

4. Getman I., Lopatin S. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Uberwachung der Viscositat eines Mediums in einem Behalter. — Offenlegungsschrift DE 10050299 A1.

5. Dreyer V., Struett B. Device for determining and/or monitoring a predetermined material level in a container. — Pat. US 5631633.

6. Raffalt F., Frick A. Verfahren zur Ansteuerung einer Wandlereinrichtung in Fuellstandmess-geraeten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens. — Pat. DE 10023305 С2.

7. Getman I., Lopatin S. Method and assembly for monitoring a predetermined level in a container. — Pat. US 6263731 B1.

8. Asin A.J., Rosselson B.S. Continuous self test time gate ultrasonic sensor and method. — Pat. US 5269188.

9. D’Angelico S., Lopatin S. Method and apparatus for establishing and/or monitoring the filling level of a medium in a container. — Pat. US 6389891 B1.

10. Чувыкин Ю.В., Козицын С.А. Способ температурной компенсации пьезоэлектрических датчиков. — Положительное решение от 06.08.99 по заявке № 97120344 с приоритетом от 05.12.97.

11. Лопатин С.С., Медведев Б.С., Биятенко Ю.Н., Басенко Н.И. Пьезоэлектрические свойства керамики (Pb1-X Bax) 2NaNb5O15 при воздействии давления в направлении поляризации. Изв.АН СССР. Неорган.материалы. Т.22, №9. — С.1516 — 1519 (1986).

С.В.Ищенко МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ ВИБРОУСКОРЕНИЯ НА ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ СТЕНДЕ

В статье приводится результаты моделирования вычисления среднеквадратического значения виброускорения (СКЗа) на лабораторно-исследовательском стенде с ядром MSP430F149.

В качестве эталонного сигнала виброускорения взят гармонический сигнал, описываемый синусоидой, частота которого f изменяется в пределах [10, 1000] Гц, а амплитуда вольт равна единице. Диапазон изменения сигнала (35 +- 100) дБ.

Для упрощения рассмотрим ситуацию, когда сигналы виброускорения смещены по амплитуде в положительную область на постоянную величину А=2.

Т аким образом, для анализа воспользуемся представлениями сигналов

a(t) = A + B sin(wt), которые отличаются по частоте w =2pf и имеют вид

Период одного измерения виброускорения Т = 1 сек.

Для вычислений среднеквадратических значений сигналов используются их квадраты

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики (пьезодатчики) используют свойство некоторых естественных кристаллических веществ и искусственных текстур электризоваться под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформироваться в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает «знакочувствительностью», т.е. заряды меняют знак при замене сжатия растяжением и меняется знак деформации при изменении направления электрического поля.

Пьезоэффектом обладают многие кристаллические вещества (кварц, турмалин, сегнетовая соль и др.), а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые пьезокерамики (титанат бария, ти- танат свинца, цирконат свинца и др.).

Описанные эффекты поясняет рис. 9.17.

Рис. 9.17. Схемы пьезоэлектрических датчиков с одним (а) и двумя (б) пьезоэлементами: 1 — измерительные пьезоэлементы;

2 — контактные пластины; 3 — модуляционный пьезоэлемент;

К— вольтметры; Г— генератор; F— сила; U — измеряемое напряжение; UT — напряжение на выходе генератора; q — электрический заряд

Напряжение на входе вольтметра (см. рис. 9.17, а)

где q — заряд, Кл; С — емкость пьезодатчика, Ф; С, — емкость соединительных проводов, Ф; С2 — входная емкость вольтметра, Ф.

Значение заряда q, возникающего на пьезоэлементе при его деформации силой F, Н определяется соотношением

где 5 — пьезомодуль, Кл/Н.

Пьезомодуль б зависит от материала пьезоэлемента. Например, для кварца б * 10 -12 Кл/Н; для пьезокерамики б * 10 -10 Кл/Н (табл. 9.8).


Характеристики некоторых пьезоматериалов

  • 5,
  • 10- 12 Кл/Н
  • *м.
  • 10 3 Ом м

Допускаемая температура, °С

Примечание, е — относительная диэлектрическая проницаемость (при отсутствии деформации); RM — удельное объемное сопротивление; Fa — допустимое напряжение.

Возникающие при разовой деформации заряды стекают через входное сопротивление вольтметра и изоляцию проводников, что приводит лишь к кратковременным отклонениям вольтметра от нулевых показаний. Следовательно, пьезоэлектрические датчики по схеме рис. 9.17, а могут быть использованы для измерения только переменных величин (изменяющихся давлений, вибраций, ускорений и др.) и не пригодны для измерения статических величин.

Использование обратного пьезоэффекта позволяет строить модуляционные пьезодатчики, пригодные для измерения статических величин. Схема модуляционного пьезодатчика приведена на рис. 9.17, б.

Под воздействием переменного напряжения Ur, подаваемого на модуляционный пьезоэлемент, последний начинает деформироваться («вибрировать») с частотой поданного напряжения. Возникшая вибрация передается на измерительный пьезоэлемент и приводит к его деформации. Причем значения деформации и, следовательно, напряжения U зависят и от «вибраций», и от значения силы F, воздействующей на систему из двух пьезоэлементов. В целом получается модуляционный пьезодатчик, пригодный для измерения статических величин.

Возможно включение одного пьезоэлемента — резонатора, в котором используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. При включении такого пьезоэлемента в резонансный контур генератора частота генерируемых электрических колебаний будет определяться геометрическими размерами пьезоэлемента. При изменении геометрических размеров под воздействием, например, механических сил собственная резонансная частота пьезоэлемента изменится и соответственно изменится частота генерируемых колебаний. Этот принцип используется при измерении с помощью пьезодатчиков статических и динамических усилий, давлений и других величин с предварительным преобразованием этих величин в частоту электрических сигналов.

Характеристики пьезодатчиков и значения коэффициентов, связывающих электрические и механические параметры, зависят от материала используемого пьезоэлемента, его размеров и от типа среза. Для характеристики типа среза применяется условное буквенно-цифровое обозначение. От типа среза зависит характер воздействия на пьезоэлемент (продольное, поперечное, кручение, изгиб), на которое он реагирует в наибольшей степени. Пьезомодуль 5 (см. табл. 9.8) соответствует деформации пьезоэлемента по толщине (для турмалина — по объему) и срезу материала, обеспечивающему максимальное значение пьезомодуля (при другом срезе и другом виде деформации рассматриваемый пьезомодуль имеет меньшее значение).

На основе пьезоэлектрических преобразователей создают термочувствительные кварцевые датчики [11] и используют их в цифровых измерителях температуры. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику, которая в общем случае является нелинейной функцией температуры.

Резонансная частота кварцевого резонатора

где п — гармоника, на которой возбуждаются колебания в пьезоэлементе (л = 1, 3, 5. ); N — частотная постоянная, кГц ? мм; Я — линейный размер в направлении распространения колебаний, мм.

Для измерения температуры с применением кварцевых преобразователей может быть применен ряд схем прямого или дифференциального включения датчика. На рисунке 9.18 представлены структурные схемы прямого включения датчика. Схемы содержат чувствительный элемент (ЧЭ) — термочувствительный кварцевый резонатор (ТКР), частотный преобразователь (ЧП), генератор (Г), специализированный вычислитель (СВ), проводной (ПК) или беспроводной вторичный канал (ВК), индикатор (И). Источники питания на схемах не показаны.

В представленных схемах имеется один температурный кварцевый резонатор и один генератор. Частота сигнала датчика, определяемая вычислителем

где /Д10 — частота датчика при температуре О °С, Гц; А/дт — приращение частоты ТКР, вызванное изменением температуры, Гц.

Рис. 9.18. Структурные схемы измерителя температуры, выполненные по прямой схеме: а — схема с проводным каналом; б — схема с вторичным каналом; в — схема с вынесенным генератором; г — схема с радиоканалом

Структурные схемы датчиков температуры, выполненные по дифференциальной схеме, характеризуются большим разнообразием. Одна из схем представлена на рис. 9.19.

В этой схеме частота датчика, определяемая вычислителем, описывается выражением

где /кр — частота дополнительного кварцевого генератора стабильной частоты, Гц.

Рис. 9.19. Структурная схема датчика температуры, выполненная по дифференциальной схеме

Здесь не рассматривается выбор частоты дополнительного кварцевого генератора и способы определения разности частот. Эти вопросы подробно рассмотрены в работе [11].

Более подробно с пьезоэлектрическими датчиками можно познакомиться в соответствующей литературе (см., например, работы [1, 33, 53, 66]).

Пьезоэлектрические датчики динамического давления с кварцевым чувствительным элементом.

Пьезоэлектрический датчик давления представляет собой контрольно-измерительное устройство, используемое для точного измерения динамического давления. Технический результат применения этих датчиков заключается в увеличении точности и скорости измерения пульсирующего давления.

Особенности

  • Быстрое время отклика (микросекунды)
  • Резонирующая частота до ≥500 кГц
  • Измеряет малые изменения давления при высоком уровне статического давления
  • Диапазон рабочих температур от — 196 ˚С до +399 ˚С
  • Благодаря прочному корпусу датчик не подвержен повреждению даже при ударах и вибрации в несколько тысяч G.
  • Технология ICP выходного сигнала позволяет снимать «чистые» данные обычным коаксиальным кабелем даже при использовании датчики в суровых условиях среды.

Полная линейка пьезоэлектрических датчиков давления PCB используется для различных измерений динамического давления, например: сжатие, пульсацию, кавитация, гидравлические и пневматические колебания давления, звук высокой интенсивности, взрывной волны, баллистические испытания, тестирование взрывных компонентов (например, детонаторы) и другие динамические давления 690 МПа.

Высокочастотные датчики давления общего назначения

  • для изучения процессов горения
  • тестирования взрывных компонентов (например, детонаторы)
  • тестирования подушек безопасности
  • для измерения давления ударной воздушной волны
Высокочастотные датчики давления общего назначения
Модель 113B28 113B27 113B21 113B26
Диапазон измерения 344,7 кПа 690 кПа 1379 кПа 3450 кПа
Чувствительность 14,5 мВ/кПа 7,25 мВ/кПа 3,6 мВ/кПа 1,45 мВ/кПа
Максимальное давление 6895 кПа
Разрешение 0,007 кПа 0,014 кПа
Резонирующая частота ≥500 кГц
Время отклика ≤1 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 0,5 Гц 0,01 Гц
Линейность ≤ 1%
Чувствительность к ускорению 0,0014 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +135˚С
Соединение 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Инвар
Уплотнение Герметично запаянное
  • Высокое время отклика кварцевого элемента — ≤1 µсек
  • Высокая резонирующая частота ≥500 кГц
  • Встроенная компенсация ускорения снижает воздействия удара и вибрации
Высокочастотные датчики давления общего назначения
Модель 113В24 113В22 113В23 113В03
Диапазон измерения 6895 кПа 34 475 кПа 68950, кПа 103420 кПа
Чувствительность 0,725 мВ/кПа 0,145 мВ/кПа 0,073 мВ/кПа 0,06 пК/кПа
Максимальное давление 68950 кПа 103 420 кПа
Разрешение 0,035 кПа 0,14 кПа 0,28 кПа 0,07 кПа
Резонирующая частота ≥500 кГц
Время отклика ≤1 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 0,005 Гц 0,001 Гц 0,0005
Линейность ≤ 1%
Чувствительность к ускорению 0,0014 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +135˚С
Соединение 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Инвар
Уплотнение Герметично запаянное

Высокочастотные датчики давления с развязкой по земляной цепи

Примечание: Развязка по земляной цепи предупреждает шум в 50/60 Гц и замыкание через цепь заземления.

Серия датчиков PCB 102В является заземленной версией серии 113В. Данные датчики имеют все те же характеристики что и серия 113В, однако имеют преимущество за счет изоляции, которое помогает избежать коротких замыканий.

Высокочастотные датчики давления с развязкой по земляной цепи
Модель 102В04 102В 102В03
Диапазон измерения 6900 кПа 34 540 кПа 68950, кПа
Чувствительность 0,725 мВ/кПа 0,15 мВ/кПа 0,07 мВ/кПа
Максимальное давление 69 000 кПа 103 400 кПа 103 420 кПа
Разрешение 0,138 кПа 0,14 кПа 0,28 кПа
Резонирующая частота ≥500 кГц
Время отклика ≤1 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 0,005 Гц 0,001 Гц 0,0005 Гц
Линейность ≤ 1%
Чувствительность к ускорению 0,0014 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +135˚С
Соединение 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Инвар
Уплотнение Герметично запаянное

Миниатюрные датчики давления ICP

Особенности

  • Встроенная диафрагма для длительного использования датчика
  • Быстрое время отклика кварцевого элемента ≤ 2 µсек
  • Высокая резонирующая частота ≥ 250 кГц

Миниатюрные датчики давления, разработанные специально для применений, где монтажное расстояние очень ограничено.

Миниатюрные датчики давления ICP
Модель 105С02 105С12 105С22
Диапазон измерения 690 кПа 6895 кПа 34 475 кПа
Чувствительность 7,3 мВ/кПа 0,73 мВ/кПа 0,145 мВ/кПа
Максимальное давление 1720 кПа 13 790 кПа 51 740 кПа
Разрешение 0,035 кПа 0,14 кПа 0,69кПа
Резонирующая частота ≥ 250 кГц
Время отклика ≤2 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 0,5 Гц
Линейность ≤ 2%
Чувствительность к ускорению 0,0028 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +121˚С
Соединение 5-44 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Инвар
Уплотнение Герметично запаянное

Высокочувствительные датчики давления

Высокочувствительные датчики давления ICP пользуются большой популярностью при измерении низкого давления, где требуется отличное разрешение и малые размеры. Серия датчиков PCB 112А используется для измерения малых динамических давлений: пульсация, турбулентность, шум, звук. Датчики способны измерять высокоинтенсивное давление звука от 111 до 210 дБ в любом статическом давлении от вакуума до 6 895 кПа.

Особенности

  • Высокое время отклика кварцевого элемента — ≤2 µсек
  • Высокая резонирующая частота ≥ 250 кГц
  • Встроенная компенсация ускорения снижает воздействия удара и вибрации
Высокочувствительные датчики давления
Модель 112А22 112А21 112А03
Диапазон измерения 345 кПа 690 кПа 68 950 кПа
Чувствительность 14,5 мВ/кПа 7,25 мВ/кПа 0,16 пК/кПа
Максимальное давление (статическое) 3450 кПа 6895 кПа 103 420 кПа
Разрешение 0,007 кПа 0,014 кПа 0,014 кПа
Резонирующая частота ≥250 кГц
Время отклика ≤2 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 0,5 Гц 0,5 Гц
Линейность ≤ 1%
Чувствительность к ускорению 0,0014 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +135˚С
Соединение 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Инвар
Уплотнение Герметично запаянное

Датчики звукового давления высокой интенсивности

Серия датчиков PCB 103В играет значительную роль в разработке сверхзвуковых воздушных судов и ракет. Этот миниатюрный прибор также полезен для измерения переходных процессов давления, при измерении турбулентности воздуха, и других таких акустических явлений, которые влияют на конструкцию или аэродинамических характеристики.

Особенности

  • Измерение звука высокой интенсивности в 191 дБ с разрешением 86 дБ
  • Встроенная компенсация ускорения снижает воздействия удара и вибрации
Датчики звукового давления высокой интенсивности
Модель 103B01 103B11 103B02 103B12
Диапазон измерения 181дБ 190,7 дБ 181 дБ 191 дБ
Чувствительность 217,5 мВ/кПа 72,5 мВ/кПа 217,5 мВ/кПа 72,5 мВ/кПа
Максимальный шаг динамического давления 1725 кПа
Разрешение 77 дБ 86 дБ 77 дБ 86 дБ
Резонирующая частота ≥13 кГц
Время отклика ≤25 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 5 Гц
Линейность ≤ 2 %
Чувствительность к ускорению 0,0035 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 73 +121˚С
Соединение Встроенный кабель 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Эпоксидная смола Герметически запаянный
Датчики звукового давления высокой интенсивности с развязкой по земляной цепи
Модель 106В52 106В50 106В
Диапазон измерения 6,89 кПа 34,45 кПа 57,2 кПа
Чувствительность 725 мВ/кПа 72,5 мВ/кПа 43,5 пК/кПа
Максимальное давление (статическое) 345 кПа 690 кПа 1379 кПа
Разрешение 0,00013 кПа 0,00048 кПа 0,000 69 кПа
Резонирующая частота ≥40 кГц
Время отклика ≤12,5 µсек
Чувствительность при низких частотах (-5%) 2,5 Гц 0,5 Гц 0,5 Гц
Линейность ≤ 1%
Чувствительность к ускорению 0,0014 кПа/(м/с 2 )
Температурный диапазон — 54 +135˚С
Соединение 10-32 Coaxial Jack
Материал корпуса Нержавеющая сталь
Материал диафрагмы Нержавеющая сталь
Уплотнение Герметично запаянное

Как именно устроен пьезоэлектрический датчик давления, каковы его характеристики и особенности использования?

Конструкция приспособления
Конструкция датчика включает в себя прочный корпус, внутри которого находится отверстие. Оно перекрывается мембраной, которая выполнена как одно целое с корпусом прибора. В отверстие вмонтирована специальная силопередающая втулка цилиндрической формы в виде усеченного конуса. Кроме того, в состав контрольно-измерительного устройства входят такие компоненты, как токосъемник, прижимной элемент, пьезоэлементы.

Пьезоэлементы датчика давления располагаются в цилиндрической гильзе, предназначенной для их изоляции от воздействия электричества. Гильза размещается в углублении, выполненном на поверхности силопередающей втулки. Элементы располагаются таким образом, чтобы один пьезоэлемент находился в контакте с выступом в углублении втулки. Второй пьезоэлемент при этом находится в прямом контакте с токосъемником устройства.


Сферы использования прибора

Пьезоэлектрические датчики давления сегодня широко используются в различных сферах. Основная их задача – точные и быстрые замеры как динамического давления. Наиболее часто эти приспособления применяются в таких отраслях промышленности, как фармацевтическая, пищевая и химическая. Такие приборы используются в процессах создания биотехнологий, эмульсий, а еще в научно-исследовательской деятельности.

Особенную востребованность рассматриваемые приборы получили для измерения тех динамических давлений, которые меняют свое значение с очень высокой частотой. Допустимый частотный диапазон варьируется от 1 Гц до нескольких десятков тысяч герц. При этом измеряемые давления обычно достаточно высокие – вплоть до 60 Мпа и выше. Возможности каждого отдельного контрольно-измерительного прибора зависят от его параметров.


Какие бывают разновидности?

В зависимости от пьезоэффекта, который используется в работе рассматриваемого прибора, устройства можно классифицировать на два вида. Первый вид применяет в своей работе продольный пьезоэффект, а второй – уже поперечный. Независимо от разновидности для снятия показаний давления используется съем электрического заряда с обеих сторон. С одной заряд берется прямо с корпуса прибора, с другой – забирается с токоприемника.

У обеих описанных разновидностей есть достаточно много преимуществ, из-за которых приборы популярны:

  • Сохранение точности и поддержание высокой скорости измерений при любых расчетных давлениях.
  • Защита о пироэлектрического эффекта и утечек сигнала, что благоприятно сказывается на точности.
  • Небольшие размеры датчика и его простой монтаж при помощи простого резьбового соединения.

Стабильная точность и скорость измерений давления обеспечивается таким процессом, как статическое сдавливание. В ходе сдавливания мембрана плотно прижимается к отверстию, при этом не теряя формы. Именно за счет этого сохраняется точность измерений независимо от того, под каким давлением мембрана.

Пьезоэлектрические датчики температуры. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрический датчик, измерительный преобразовательмеханического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (Пьезоэлектричество).Пьезоэлектрические датчики широко используются в промышленности и во многих других отраслях. Существует большое количество пьезоэлектрических датчиков, такие какпьезоэлектрические датчики серии Т, волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления, пьезоэлектрические датчики вибрации, на основепьезоэлектричества работают и многие другие приборы, например пьезоэлектрический громкоговоритель.

Биопластичный субстрат содержит датчик и схему кондиционирования энергии и способен измерять производство мышечной энергии или обнаруживать, когда спортсмен прогрелся или очень устал. Было показано, что просто складывая и разворачивая коллектор, заряжается 3, 8-вольтовая батарея.

Различия в сборе энергии огромны для тех, кто нуждается в помощи в качестве кардиостимулятора. Рисунок 5: Заготовки для сбора энергии, подобные этой, могут быть вставлены в сердце или легкие и использовать энергию, генерируемую физическим движением, для зарядки и подачи других датчиков и электронных систем на тело или в тело.

Пьезоэлектр и ческий д а тчик, измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (см. Пьезоэлектричество). Один из вариантов конструкции П. д. давления показан на рис. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная эдс (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению. П. д. целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Включением дополнительного конденсатора параллельно П. д. можно уменьшить погрешность измерения, однако при этом уменьшается напряжение на выводах датчика. Основные достоинства П. д. — их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков гц до десятков МГц. Применяются при тензометрических измерениях, в весовых и сортировочных (по весу) устройствах, при измерениях вибраций и деформаций и т.д.

Сейчас, как никогда, внедряемая технология готова стать частью нашей повседневной жизни. Примером может служить цифровой помощник в области здравоохранения, разработанный в Англии. Это имплантируемый датчик, используемый для выявления проблем со здоровьем путем обнаружения изменений в движении, привычках, диете, сердечном ритме, настроении и других метаболических функциях.

Следует отметить, в частности, обнаружение юмора. Это открывает возможности технологических решений на новой территории биодепрессии. Возможно, что за короткое время мы увидим детекторы, которые, в случае необходимости, фактически применяют антидепрессанты.

Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления: p — измеряемое давление; 1 — пьезопластины; 2 — гайка из диэлектрика; 3 — электрический вывод; 4 — корпус (служащий вторым выводом); 5 — изолятор; 6 — металлический электрод.

Измер и тельный преобразов а тель , средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе И. п. (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования — сохранение в выходной величине И. п. информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование — единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие И. п. от других видов преобразователей — способность осуществлять преобразования с установленной точностью. Измерительное преобразование одного и того же вида (например, температуры в механическое перемещение) может осуществляться различными И. п. (ртутным термометром, биметаллическим элементом, термопарой с милливольтметром и т. п.). Концепция представления измерительных устройств как устройств, осуществляющих ряд последовательных преобразований от восприятия измеряемой величины до получения результата измерения, первоначально была выдвинута в СССР М. Л. Цукерманом и окончательно сформулирована применительно к измерению неэлектрических величин Ф. Е. Темниковым и Р. Р. Харченко в 1948. В 60-х гг. эта концепция стала общепризнанной во всех областях измерительной техники, приборостроения и метрологии.

Аналогичным образом, технология датчиков вены может придать новый смысл старой поговорке «ничто не священно». Представьте себе цифровой пояс целомудрия, внедренный в наш буйный юность. Наше понимание медицины позволяет нам быть более инвазивным в исследовании и мониторинге внутренних процессов, которые влияют на наше здоровье. Поскольку новые и интеллектуальные датчики включены для использования на теле и внутри тела, тем больше мы будем ходить, разговаривать, есть и спать, а активные датчики за кулисами контролируют наше благополучие.

Принцип действия И. п . может быть основан на использовании практически любых физических явлений. Господствующей тенденцией в 40-70-х гг. 20 в. стало преобразование любых измеряемых величин в электрический сигнал. По виду преобразуемых величин различают И. п. электрических величин в электрические, электрических — в неэлектрические, неэлектрических — в электрические, неэлектрических — в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряжения и тока, измерительные трансформаторы, измерительные усилители тока и напряжения; примерами вторых — механизмы электроизмерительных приборов, преобразующие изменение силы тока или напряжения в отклонение стрелки или светового луча, датчики ультразвуковых расходомеров и т. п.; примерами третьих — термопары, терморезисторы, тензорезисторы, фотоэлементы, реостатные, ёмкостные и индуктивные датчики перемещения; примерами четвёртых — пневматические И. п., рычаги, зубчатые передачи, мембраны, сильфоны, оптические системы и т. п. Конструктивное объединение нескольких И. п. является также И. п. Примерами такого объединения могут служить: датчик — совокупность И. п., вынесенных на объект измерения; так называемый промежуточный И. п. — совокупность И. п., преобразующих выходные сигналы датчиков в другие сигналы, более удобные для передачи, обработки или регистрации. По структуре составные И. п. подразделяют на И. п. прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. Первые характеризуются тем, что все преобразования величин производятся только в одном (прямом от входной величины к выходной) направлении. В этом случае результирующая погрешность определяется суммой погрешностей (с учётом их корреляционных связей) всех составляющих И. п. Для вторых характерно применение обратного преобразования выходной величины в однородную с входной и уравновешивающую её величину. Результирующая погрешность при этом определяется лишь погрешностью обратного преобразования и степенью неуравновешенности. И. п. уравновешивания подразделяются на следящие преобразователи с обратной связью, статическим или астатическим уравновешиванием и преобразователи с программным уравновешиванием. Следящие И. п. с обратной связью обеспечивают непрерывность преобразования во времени; их недостаток — опасность потери устойчивости, проявляющейся в возникновении автоколебаний при увеличении глубины обратной связи. И. п. с программным уравновешиванием свободны от этого недостатка, но их особенностью является прерывность выходной величины, т. е. появление выходной величины лишь в отдельные дискретные моменты времени.

Мы становимся беспроводными узлами данных в нашей глобальной сети. Будем надеяться, что никто не сможет нас взломать. Ключевые электроники. Каков ключевой элемент проекта по сбору энергии? Идея применения феномена, известного на протяжении многих десятилетий как пьезоэлектричество для его применения в беспрецедентной области, такой как дорога, создающая транспортные средства, генерирует электричество на своем пути. Пьезоэлектричество представляет собой явление, присущее некоторым кристаллам, которые при механических напряжениях приобретают электрическую поляризацию в своей массе, что приводит к различию потенциала и электрических зарядов на их поверхности.

В 60-х гг. наметилась тенденция преобразования измеряемых величин в частоту электрических импульсов с помощью так называемых частотных И. п. Такие И. п. разработаны почти для всех известных физических величин. Основные достоинства частотных И. п. — простота и высокая точность передачи их выходной величины (частоты) по каналам связи, а также относительная простота цифрового отсчёта результата измерения с помощью цифровых частотомеров. В цифровых измерительных устройствах широко применяются И. п. аналоговых величин в цифровой код и наоборот. В них используются принципы как частотных И. п. (интегрирующие аналого-цифровые), так и программного уравновешивания (время-импульсные и поразрядного кодирования аналого-цифровые преобразователи).

Этот ключевой элемент представляет собой подлинное новшество, хотя, как и многие другие, он основан не на совершенно новом изобретении, а на применении принципа, установленного наукой для непредвиденной цели до сих пор. В принципе большинство пьезоэлектрических источников энергии были связаны с выработкой энергии, но в милливаттах — мВт — слишком малы для крупномасштабного применения в системе, но достаточно для некоторых портативных устройств, таких как некоторые наручные часы. В Японии параллельно были разработаны исследования и эксперименты с пьезоэлектрическими системами, способными преобразовывать энергию движения человеческого тела в электрическую.

Пьезоэлектр и чество (от греч. piézo — давлю и электричество), явления возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках. Первое подробное исследование пьезоэлектрических эффектов сделано в 1880 братьями Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрические свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др. (см. Пьезоэлектрические материалы). Пьезоэлектрические свойства кристаллов связаны с их структурой. Ими обладают все пироэлектрики (спонтанно поляризованные диэлектрики). При механической деформации пироэлектрика меняется величина его спонтанной поляризации, что и наблюдается как прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические эффекты наблюдаются также в некоторых непироэлектриках (например, у кварца). Справедливо общее утверждение: кристаллы, обладающие центром симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Это объясняется тем, что при деформации кристалла центр симметрии сохраняется, а при наличии центра симметрии не может быть поляризации (рис. 1, 2). Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может «запрещать» появление поляризации в определённых направлениях или при некоторых определённых деформациях (см. Симметрия кристаллов).

Во-первых, необходимо выбрать участок дороги, и под асфальтом необходимо ввести ряд пьезоэлектрических элементов, открыв несколько мелких канав. Эти элементы будут в верхней части всего на 3 см от поверхности асфальта, но генераторная установка нуждается в большем пространстве, с которым глубина должна быть больше. Из генераторов есть несколько кабелей, которые соединяются с некоторыми батареями, расположенными рядом с дорогой. При проезде транспортные средства активируют генераторы, которые преобразуют механическую энергию давления колес в электрическую энергию.

Количественными характеристиками П. в данном кристалле является совокупность пьезоконстант и пьезомодулей — коэффициент пропорциональности между электрическими величинами (напряжённость электрического поля Е, поляризация P) и механическими величинами (механические напряжения , относительные деформации u). Например, P = d. Коэффициент d и есть одна из пьезоконстант. Т. к. произвольное механическое напряжение может быть представлено как совокупность 6 независимых напряжений, а вектор поляризации P имеет 3 независимых компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант d. Однако симметрия кристалла ограничивает число независимых и отличных от нуля пьезоконстант. Величина d зависит от условий опыта, а именно: она имеет одно значение d, если заряд на обкладках конденсатора (рис. 3) поддерживать равным нулю, и другое значение d», если обкладки конденсатора закорочены, т. е. Е = 0. Поэтому соотношение P = d целесообразно записывать, например, в виде: P = d» + Е. Величины d и d» связаны соотношением d’= d, где  — диэлектрическая проницаемость кристалла.

Выработанная энергия хранится в батареях. Эта накопленная энергия может использоваться для местных нужд или вводиться в сеть. В любом случае достаточно освещения дороги. Экспериментальный тест проводился в сотрудничестве с Национальной компанией дорог Израиля. Как далеко вы могли пойти? Все зависит от объема трафика и характеристик этого трафика. В любом случае ясно, что в городских и городских районах с постоянным трафиком всех видов можно получить много электроэнергии.

В настоящее время, в стадии зарождающейся технологии, стоимость установки километра полосы дороги составляет около 000 долларов. Несмотря на массовое производство, цена может упасть на две трети, будучи более конкурентоспособной, чем системы солнечной энергии.

Пьезоконстантами называются также коэффициенты r, g, h в соотношениях P = ru + ’Е, u = S» + hP, u = S» + hE и т.п. Все пьезоконстанты d, r, g, h связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрических свойств кристалла можно ограничиться только одной, например d. Характерная величина пьезоконстанты d в системе СГСЭ составляет для кварца 310 -8 . Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты сегнетоэлектриков, что связано с их высокой диэлектрической проницаемостью и доменной структурой, которая может перестраиваться при деформации.

Во-первых, энергия будет генерироваться и потребляться в одном и том же пространстве без необходимости транспортировки, что является источником многих потерь; во-вторых, но не в последнюю очередь, эта система имеет огромный потенциал в зависимости от пройденного расстояния и потока трафика. Затем мы должны рассмотреть содержание: в этом смысле следует отметить, что генераторы могут иметь жизнь 30 лет и в дополнение к тому, чтобы быть под землей, они практически делают кражу или вандализм неосуществимыми.

Наконец, мы должны добавить, что, в отличие от того, что происходит с другими инфраструктурами, пейзаж не будет изменен. Каким может быть будущее этого нововведения с этого момента? Цель проекта в настоящее время — продемонстрировать возможность генерации энергии на дороге в небольших масштабах. В долгосрочной перспективе системы выработки электроэнергии могут быть революционизированы путем массивной установки пьезоэлектрических устройств под асфальтом. Этот принцип может быть применен к улицам, автомагистралям, железным дорогам, аэропорту, а генерация может быть достигнута не только с помощью транспортных средств, но и с прохождением людей, которые проходят испытания в Японии.

Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов (см. Кварцевый генератор), фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.

Экологические выгоды будут очевидны: сокращение выбросов, связанных с производством электроэнергии. Акселерометр — это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения структуры. Сила, создаваемая вибрацией или изменением движения, заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, создавая электрический заряд, который пропорционален силе, действующей на него.

Дополнительная информация о акселерометрах

Тот факт, что нагрузка пропорциональна силе и что масса постоянна, нагрузка также пропорциональна ускорению. Первым из них является «высокоимпедансный» ускоритель заряда. В этом типе акселерометра пьезоэлектрический кристалл генерирует электрический заряд, который непосредственно подключен к измерительным приборам. Выпуск груза требует специальных средств и приборов, которые мы обычно находим в исследовательских центрах. Этот тип акселерометра также используется в высокотемпературных приложениях, где модели с низким импедансом нельзя использовать.

Рис. 2. а — плоская модель кристалла, обладающего центром симметрии; б — тот же кристалл, подвергнутый сжатию.

Рис. 1. а — плоская модель кристалла, не имеющего центра симметрии; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, стрелки изображают отдельные электрические дипольные моменты одной группы зарядов; б — тот же крисстал, подвергнутый сжатию, при котором изменяются длины связей между зарядами каждой группы, но не углы между ними; горизонтальная стрелка слева — суммарный электрический дипольный момент одной группы зарядов.

Второй тип акселерометра — это акселерометр с низким импедансом. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности. Первыми акселерометрами были электронные аналоговые устройства, которые позднее стали электронными и цифровыми проектами на базе микропроцессора. Элементы управления подушками безопасности в гибридной автомобильной промышленности используют микроэлектромеханические системы. Эти устройства основаны на том, что когда-то считалось дефектом в конструкции полупроводников, «выпущенном слое» или свободном куске материала схемы в микрокосфере на поверхности чипа.

Рис. 3. а — прямой пьезоэлектрический эффект; сжатие или растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов; б — обратный пьезоэлектрический эффект; в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается.

В цифровой схеме этот свободный слой препятствует нормальному потоку электронов, так как он реагирует с окружающей аналоговой средой. Существует ли высокий уровень электрических шумов в этом районе? Является ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр, подключен к земле? Является ли среда коррозионной? Использует ли область использование искробезопасных или взрывозащищенных инструментов? Есть ли влажность или вода в зоне установки?

  • Какая амплитуда вибрации будет контролироваться?
  • Какой диапазон частот будет контролироваться?
  • Каков температурный диапазон установки?
  • Каков размер и форма образца, который будет контролироваться?
  • Существуют ли электромагнитные поля?

Другим применением является структурное тестирование, когда наличие структурного дефекта, такого как трещина, плохая сварка или коррозия, может изменить вибросигнал структуры.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ , громкоговоритель, в котором в качестве преобразователя электрич. колебаний (звуковых частот) в механические используют пьезоэле-мент (см. Пьезоэлектричество). Наибольшее распространение получили П. г. с плоским (квадратным в плане) пьезоэлементом из сегнетовой соли. К свободному углу такого элемента приклеивается своей вершиной конич. диафрагма — излучатель звука. П. г., несмотря на низкое качество их звучания и малую надёжность пьезоэлементов, выпускались в СССР в годы Великой Отечеств. войны 1941-45 и в первые послевоен. годы как наиболее дешёвые и простые в изготовлении

Конструкция может быть оболочкой двигателя или турбины, реактора или резервуара. Испытание выполняется путем удара структуры с помощью молотка, возбуждающего структуру с известной функцией принудительного торможения. Это создает шаблон вибрации, которые могут быть записаны, проанализированы, и по сравнению с эталонной сигнатуры.

Датчики ускорения также играют важную роль в поиске направления и направления. Такие датчики могут использоваться для отслеживания сверл в буровых операциях, для определения ориентации буев и гидролокационные системы, служат компасами и заменяют гироскопы в инерциальных навигационных системах. Механические акселерометры, такие как акселерометр сейсмической массы, датчик скорости и механический магнитный выключатель, обнаруживают силу, наложенную на массу при ускорении. Масса сопротивляется силе ускорения и, следовательно, вызывает деформацию или физическое смещение, которое может быть измерено датчиками близости или тензодатчиками.

Пьезоэлектрические датчики серии Т предназначены для измерениядавлений газов и жидкостей в диапазоне от 0 до 600 МПа.

Состав: Датчик давления пьезоэлектрический, кабель соединительный, кольцо уплотнительное, пластина защитная, смазка термозащитная. Пьезоэлектрические датчики серии Т предназначены для измерения динамических и квазистатических давлений газов и жидкостей в диапазоне от 0 до 600 МПа, возникающих при выстреле, в манометрической бомбе, в камерах сгорания двигателей, в топливной аппаратуре и т.д.

Многие из этих датчиков оснащены демпфирующими устройствами, такими как пружины или магниты для предотвращения колебаний. Он использует механизм вращения, который намеренно несбалансирован в своей плоскости вращения. Когда происходит ускорение, создается угловое движение, которое может быть обнаружено датчиком близости. Среди новейших конструкций механических акселерометров — термоаккумулятор: этот датчик определяет положение посредством теплопередачи. На поверхности источника тепла находится сейсмическая масса.

Если масса движется из-за ускорения, изменяется близость источника тепла и температура массы. Термопары из поликремния используются для обнаружения изменений температуры. В акселерометрах детектируемой емкости микромеханизированные емкостные пластины образуют массу около 50 мкг. Поскольку ускорение деформирует пластины, изменение емкости измеримо. Но пьезоэлектрические акселерометры являются, пожалуй, наиболее практичными устройствами для измерения ударов и вибраций. Подобно механическому датчику, это устройство включает массу, которая при ускорении оказывает инерционную силу на пьезоэлектрический кристалл.

Отличительные особенности: — Высокая точность преобразования — Миниатюрное исполнение — Низкая чувствительность к ускорению — Устойчивость к воздействию ударов и вибраций

Пьезоэлектрические датчики вибрации

Пьезодатчики вибрации или векторные виброакселерометры применяются для определения режимов вибрации различных машин и механизмов. Область применения датчиков вибрации пьезоэлектрических МВ-06, МВ-37, МВ-38: Авиация, автотранспорт, морской и железнодорожный транспорт.

Датчики вибрации пьезоэлектрические МВ-06, МВ-37, МВ-38 предназначены для: — Преобразования ускорений в широкой полосе частот — Работы в составе аппаратуры контроля вибрации авиационных ГТД. Достоинства: — Высокая надежность, высокий срок службы — Малые масса и габариты — Выходной сигнал дифференциальный, изолирован от корпуса датчика

Волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления

Волоконно-оптический пьезоэлектрический датчик импульсного давления (см. Толстиков И.Г., Мартыш-кин В.П., Долгов В.И. Заявка на изобретение «Емкостный датчик», № 2005110481 от 11.04.2005) содержит чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противо-положных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию (см. рис. 7-9). При этом входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измери-тельная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезо-элемента с выходным электродом. Одним из вариантов выполнения чувствительного элемента датчика являет-ся полностью экранированный пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза с нанесенным на всю его поверх-ность проводящим покрытием. Ультразвуковые колебания зондируемой лазерным лучом свободной поверхно-сти такого полностью экранированного пьезоэлемента возникают за счет внутренних электрических полей, индуцированных ударной волной с момента ее прихода на нагружаемую поверхность пьезоэлемента. Прототи-пом является известный пьезоэлектрический датчик импульсного давления с электрическим выходом, предназначенный для регистрации профиля давления (напряжения) плоской ударной волны при одномерном нагружении.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления содержит корпус, чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента (диска) из кварца х-среза с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси х пьезоэлемента и направлению распро-странения импульса давления. Входной и выходной

Электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, например, путем нанесения на все поверхности чувствительного элемента, свободные от плоских электродов, дополнительного сплошного электрода с образованием полностью экранированной конструкции. В случае, если пьезоматериал в отличие от кварца обладает не только продольным, но также и поперечным пьезоэффектом, когда при деформации вдоль рассматриваемой полярной оси поляризационные заряды возникают также и на боковой поверхности пьезоэлемента, последняя изолируется слоем диэлектрика. Слой диэлектрика может наносится также с це-лью уменьшения влияния боковой разгрузки. Измерительная линия выполнена в виде оптического канала, содержащего (отражающую) поверхность выходного электрода и волоконный световод, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световод обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору (интерферометру).

Принцип действия пьезоэлектрического датчика импульсного давления (кварцевого датчика) заключается в том, что в процессе преобразования информативного сигнала чувствительный элемент датчика используется не только в качестве (механоэлектрического) преобразователя механической энергии нагружающего импульса в электрическую за счет прямого пьезоэффекта как в прототипе, но и одновременно в качестве (электромеха-нического) преобразователя электрической энергии в механическую за счет обратного пьезоэффекта. При этом прямое преобразование происходит в сжатой, а обратное — в несжатой зонах пьезоэлемента, разделенных дви-жущимся волновым фронтом. Поэтому геометрические размеры этих зон (преобразователей) изменяются со временем: ширина сжатой зоны увеличивается и равна U⋅t, а ширина несжатой зоны соответственно уменьша-ется и равна L-U⋅t в любой момент времени 0 ≤ t ≤ T. Преобразование информативного сигнала в рассматри-ваемом датчике происходит в интервале времени 0 ≤ t ≤ T по следующему новому пути: исследуемый профиль импульса давления р(t) в образце — профиль упругой волны σ(t) в пьезоэлементе – временная зависимость электрического поля в несжатой зоне Е1(t) — профиль вторичной упругой волны σr(t), возникающей за счет обратного пьезоэффекта в несжатой зоне и движущейся в обратном направлении от выходного электрода к входному — временная зависимость скорости (смещения) выходной поверхности пьезоэлемента w(t) — реги-стрируемый с помощью лазерных интерферометрических методов оптический сигнал.

Основные соотношения для связи между регистрируемым сигналом w(t) и давлением р(t) в образце записываются здесь следующим образ

Р(t) = к⋅σ(t), для прямого пьезоэффекта;

Е1(t) = к⋅σ(t)⋅t / ε⋅ε0⋅T;

σе (t) = е⋅Е1(t), для обратного пьезоэффекта в несжатой зоне;

где ε0 — электрическая постоянная; σе (t) — механическое напряжение, индуцированное полем Е1(t) в несжа-той зоне; e — пьезоконстанта пьезоматериала, e11 для кварца х-среза; ρ — плотность пьезоматериала; К0 = ε⋅ε0⋅ρ ⋅L⋅Zо / e⋅ к — константа в конкретном опыте.

Как видно из последнего соотношения искомый профиль импульса давления р(t) можно легко получить из экспериментальной зависимости w(t) расчетным путем.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления функционирует следующим образом. Датчик устанав-ливается на поверхность исследуемого образца. Плоская ударная волна (импульс давления) р(t) из образца переходит через контактную поверхность в датчик и вызывает появление в пьезоэлементе 3 упругой ударной волны σ(t), движущейся со скоростью U и вызывающей, в свою очередь, диэлектрическую поляризацию Р(σ) пьезоматериала в сжатой зоне пьзоэлемента

случая, когда направление движения волны σ(t) совпадает с направлением вектора Р(σ) и, следовательно, полярной оси х кварца. Индуцированный поляризацией заряд стекает с электродов 4 и 5 через дополнительный электрод (нагрузку) 7, сопротивление R которого близко к нулю. Поэтому пьезопреобразователь работает в режиме источника тока и становятся справедливыми приведенные выше соотношения и теория пьезоэлектри-ческого (кварцевого) датчика . В соответствии с последней, несмотря на то, что напряжение между электродами 4 и 5 равно нулю, внутри пьезоэлемента возникают сильные электрические поля как в сжатой 13 (поле Е2), так и несжатой 14 (поле Е1) зонах, разделенных фронтом ударной волны σ(t), направление которых показаны соответствующими стрелками на рис. 8. В несжатой зоне 14 поле Е1 монотонно (линейно при σ = const) увеличивается со временем от нулевого значения до максимального Еmax= к⋅σ(t) /ε⋅ε0 в интервале 0 ≤ t ≤ T. В сжатой зоне 13 поле Е2 наоборот уменьшается аналогичным образом. При появлении электрическо-го поля в несжатой зоне 14 мгновенно возникают механические напряжения σе (t), обусловленные обратным пьезоэффектом, релаксация которых происходит путем образования на свободной поверхности пьезоэлемента вторичной упругой волны 15 σr(t), движущейся со скоростью U в направлении от выходного электрода 5 к входному 4, противоположном направлению распространения основной волны σ(t). Отметим, что, поскольку поле Е2 стремиться противодействовать сжатию волны σ(t), а поле Е1 направлено в противоположном Е2 направлении, то напряжение σе (t) является сжимающим в рассматриваемом случае, а волна σr(t) есть волна разгрузки. Волна σr(t) образуется в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности пьезоэлемента с выходным электродом непрерывно в интервале времени 0 Похожие статьи:

  • Первые мобильные телефоны
  • История телефонов: возникновение и развитие
  • Часовые пояса, Время по Гринвичу, UTC, CDT
  • Время и часовые пояса в россии
Добавить комментарий