Пьезоэлектрический акселерометр

Описание того, как работает пьезоэлектрический акселерометр в теории.

Пьезоэлектрический акселерометр — это акселерометр , который использует пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения динамических изменений механических переменных (например, ускорения, вибрации и механического удара).

Как и все преобразователи , пьезоэлектрики преобразуют одну форму энергии в другую и выдают электрический сигнал в ответ на измеряемую величину, свойство или состояние. Используя общий метод измерения, на котором основаны все акселерометры, ускорение действует на сейсмическую массу , которая удерживается пружиной или подвешивается на консольной балке, и преобразует физическую силу в электрический сигнал. Прежде чем ускорение можно будет преобразовать в электрическую величину, его сначала необходимо преобразовать либо в силу , либо в смещение . Это преобразование осуществляется с помощью системы массовых пружин, показанной на рисунке справа.

Введение

Поперечное сечение пьезоэлектрического акселерометра.

Слово «пьезоэлектрик» происходит от греческого слова piezein , что означает «сжимать» или «давить». Когда на акселерометр воздействует физическая сила, сейсмическая масса нагружает пьезоэлектрический элемент в соответствии со Ньютона ( вторым законом движения $F=ma$). Силу, действующую на пьезоэлектрический материал, можно наблюдать по изменению электростатической силы или напряжения, генерируемого пьезоэлектрическим материалом. Это отличается от пьезорезистивного эффекта тем, что в пьезорезистивных материалах происходит изменение сопротивления материала, а не изменение заряда или напряжения. Физическую силу, действующую на пьезоэлектрик, можно разделить на два типа; изгиб или сжатие. Под напряжением типа сжатия можно понимать силу, действующую на одну сторону пьезоэлектрика, в то время как противоположная сторона упирается в неподвижную поверхность, тогда как под изгибом подразумевается сила, действующая на пьезоэлектрик с обеих сторон.

Пьезоэлектрические материалы, используемые для изготовления акселерометров, делятся на две категории: монокристаллические и керамические материалы. Первыми и более широко распространенными являются монокристаллические материалы (обычно кварц). Хотя эти материалы действительно обеспечивают длительный срок службы с точки зрения чувствительности, их недостатком является то, что они, как правило, менее чувствительны, чем некоторые пьезоэлектрические керамики. Другая категория — керамические материалы — имеет более высокую пьезоэлектрическую постоянную (чувствительность), чем монокристаллические материалы, и их производство дешевле. В керамике используют титанат бария , свинец-цирконат-свинец-титанат, метаниобат свинца и другие материалы, состав которых считается запатентованным компанией, ответственной за их разработку. Однако недостатком пьезоэлектрической керамики является то, что ее чувствительность со временем ухудшается, что делает срок службы устройства меньшим, чем у монокристаллических материалов.

В приложениях, где используются пьезоэлектрики с низкой чувствительностью, два или более кристалла могут быть соединены вместе для умножения выходного сигнала. Подходящий материал может быть выбран для конкретных применений на основе чувствительности , частотной характеристики , объемного удельного сопротивления и термического отклика. Из-за низкого выходного сигнала и высокого выходного сопротивления , которым обладают пьезоэлектрические акселерометры, существует необходимость в усилении и преобразовании импеданса производимого сигнала. Раньше эта проблема решалась с помощью отдельного (внешнего) усилителя / преобразователя импеданса . Однако этот метод, как правило, непрактичен из-за вносимого шума , а также из-за физических и экологических ограничений, налагаемых на систему в результате. Сегодня интегральные усилители/преобразователи импеданса коммерчески доступны и обычно помещаются в корпус самого акселерометра.

История

За тайной работы пьезоэлектрического акселерометра скрываются некоторые фундаментальные концепции, определяющие поведение кристаллографических структур. В 1880 году Пьер и Жак Кюри опубликовали экспериментальную демонстрацию связи механического напряжения и поверхностного заряда кристалла. Это явление стало известно как пьезоэлектрический эффект . С этим явлением тесно связана точка Кюри , названная в честь физика Пьера Кюри, которая представляет собой температуру, выше которой пьезоэлектрический материал теряет спонтанную поляризацию своих атомов.

Разработка коммерческого пьезоэлектрического акселерометра стала результатом ряда попыток найти наиболее эффективный метод измерения вибрации на больших конструкциях, таких как мосты, и на движущихся транспортных средствах, таких как самолеты. Одна из попыток заключалась в использовании тензорезистора в качестве устройства для создания акселерометра. Между прочим, именно Ганс Дж. Мейер благодаря своей работе в Массачусетском технологическом институте считается первым, кто сконструировал коммерческий тензоакселерометр (около 1938 г.). Однако тензоакселерометры были хрупкими и могли воспроизводить только низкие резонансные частоты, а также имели низкую частотную характеристику. Эти ограничения динамического диапазона сделали его непригодным для испытаний конструкций морских самолетов. С другой стороны, пьезоэлектрический датчик оказался гораздо лучшим выбором по сравнению с тензодатчиком при разработке акселерометра. Высокий модуль упругости пьезоэлектрических материалов делает пьезоэлектрический датчик более эффективным решением проблем, возникающих при использовании тензоакселерометра.

Проще говоря, собственные свойства пьезоэлектрических акселерометров сделали их гораздо лучшей альтернативой тензодатчикам из-за их высокой частотной характеристики и способности генерировать высокие резонансные частоты. Пьезоэлектрический акселерометр позволил уменьшить его физический размер на уровне производства, а также обеспечил более высокую перегрузку (стандартную силу тяжести) по сравнению с тензодатчиком. Для сравнения: тензодатчики демонстрировали плоскую частотную характеристику выше 200 Гц, тогда как пьезоэлектрический тип обеспечивал плоскую частотную характеристику до 10 000 Гц. Эти усовершенствования сделали возможным измерение высокочастотных вибраций, связанных с быстрыми движениями и кратковременными толчками самолетов, что раньше было невозможно с помощью тензодатчиков. Вскоре технологические преимущества пьезоэлектрических акселерометров стали очевидны, и в конце 1940-х годов началось крупномасштабное производство пьезоэлектрических акселерометров. Сегодня пьезоэлектрические акселерометры используются в приборостроении в области техники, здравоохранения и медицины, аэронавтики и многих других отраслях промышленности.

Производство

Существует два распространенных метода изготовления акселерометров. Один основан на принципах пьезорезистивности, а другой — на принципах пьезоэлектричества. Оба метода гарантируют, что нежелательные векторы ортогонального ускорения исключены из обнаружения.

Производство акселерометра, использующего пьезорезистивное сопротивление, сначала начинается с полупроводникового слоя, который прикрепляется к пластине ручки толстым оксидным слоем. Затем полупроводниковый слой повторяет геометрию акселерометра. Этот полупроводниковый слой имеет одно или несколько отверстий, так что нижележащая масса будет иметь соответствующие отверстия. Затем полупроводниковый слой используется в качестве маски для вытравливания полости в нижележащем толстом оксиде. Масса в полости поддерживается консольно пьезорезисторными плечами полупроводникового слоя. Непосредственно под геометрией акселерометра находится гибкая полость, которая позволяет массе в полости изгибаться или двигаться в направлении, ортогональном поверхности акселерометра.

Акселерометры на основе пьезоэлектричества состоят из двух пьезоэлектрических преобразователей. Устройство состоит из полой трубки, герметизированной пьезоэлектрическими преобразователями на каждом конце. Преобразователи имеют противоположную поляризацию и выбираются с учетом определенной последовательной емкости. Затем трубка частично заполняется тяжелой жидкостью, и акселерометр возбуждается. Во время возбуждения постоянно измеряется общее выходное напряжение, а объем тяжелой жидкости микрорегулируется до тех пор, пока не будет получено желаемое выходное напряжение. Наконец, измеряются выходные сигналы отдельных датчиков, разность остаточных напряжений заносится в таблицу и определяется доминирующий датчик.

В 1943 году датская компания Brüel & Kjær выпустила Type 4301 — первый в мире зарядный акселерометр.

Применение пьезоэлектрических акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры используются во многих различных отраслях, средах и приложениях, и все они обычно требуют измерения импульсов небольшой длительности. Пьезоэлектрические измерительные устройства сегодня широко используются в лабораториях, на производстве, а также в качестве оригинального оборудования для измерения и регистрации динамических изменений механических переменных, включая удары и вибрацию.

Некоторые акселерометры имеют встроенную электронику для усиления сигнала перед его передачей на записывающее устройство. Эта работа была инициирована компанией PCB Piezotronics, выпущенной в 1967 году как ICP® Интегральная пьезоэлектрическая схема , которая позже превратилась в стандарт IEPE (см. «Интегрированная электроника пьезоэлектрическая »). Другие связанные с брендом дескрипторы IEPE: CCLD, IsoTron или DeltaTron.

Акселерометры также имеют встроенную память для хранения серийного номера и данных калибровки, обычно называемую электронным паспортом преобразователя TEDS в соответствии со стандартом IEEE 1451.

Ссылки

• Нортон, Гарри Н. (1989). Справочник преобразователей . Прентис Холл PTR . ISBN   0-13-382599-X «Ссылка в формате PDF»

Внешние ссылки

• «Пьезоэлектрические преобразователи»
• «Пьезоэлектрические датчики»
• «Пьезоэлектрические акселерометры – теория и применение»
• «Доступ к Accels» - Учебное пособие по PE-акселерометрам