Пьезоэлектрические акселерометры обычно используются при испытаниях на вибрацию и удар. Эти устройства хорошо подходят для измерения высокочастотных сигналов ускорения, возникающих при гидравлических и пневматических возмущениях, импульсных (ударных) силах, вибрациях машин и оборудования, пиротехнических ударах и т. д.
В этой статье мы познакомимся с основой работы этих датчиков.
Первым ключевым аспектом пьезоэлектрических акселерометров является пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический материал может производить электричество при механическом воздействии. И наоборот, приложение электрического поля к пьезоэлектрическому материалу может вызвать его деформацию и создать небольшую механическую силу. Хотя большинство инженеров и технических специалистов знакомы с пьезоэлектрическим эффектом, детали этого интересного явления иногда до конца не рассматриваются. Более глубокое понимание этого эффекта может помочь нам лучше понять работу пьезоэлектрических датчиков. На следующем рисунке показано воздействие внешней механической силы на пьезоэлектрический материал.
Как показано на рисунке (а), при отсутствии механического напряжения центры отрицательного и положительного зарядов молекул совпадают, что означает, что молекулы электрически нейтральны. Приложение механической силы, как показано на рисунке (b), деформирует структуру и разделяет центр положительных и отрицательных зарядов молекул, создавая в материале множество маленьких диполей. Как видите, на поверхности пьезоэлектрического материала появляются фиксированные заряды. Количество производимого электрического заряда пропорционально приложенной силе.
Пьезоэлектрики представляют собой класс диэлектрических материалов. Они являются изоляционными или очень плохими проводниками электрического тока. Однако с двумя металлическими электродами, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрического материала, мы можем использовать электрическое поле, создаваемое пьезоэлектрическим эффектом, для производства электричества. Если мы соединим два электрода проводом, как показано на рисунке (b), свободные электроны в проводнике потекут к положительно заряженному электроду, и создастся электрический ток. Этот поток тока накапливает свободные электроны на положительном электроде и создает электрическое поле в направлении, противоположном исходному полю, создаваемому пьезоэлектрическим эффектом.
Этот эффект объясняет, почему электрический ток, создаваемый статической силой, может длиться только в течение короткого периода времени. Ток продолжает проходить до тех пор, пока электрическое поле от накопления свободных электронов не нейтрализует поле от пьезоэлектрического эффекта.
Теперь если убрать внешнюю силу, то материал возвращается к своей первоначальной форме, электрическое поле от пьезоэффекта исчезает, а значит по проводу течет ток в обратном направлении.
В пьезоэлектрическом акселерометре пьезоэлектрический элемент используется для соединения известного количества массы, обычно называемой контрольной массой, с корпусом акселерометра. Когда рамка датчика ускоряется из-за внешней силы, контрольная масса имеет тенденцию «отставать» из-за своей инерции и слегка деформирует пьезоэлектрический элемент. Это заставляет пьезоэлектрический элемент производить выходной заряд, который можно измерить для определения входного ускорения. На следующем рисунке показаны некоторые распространенные механические конструкции пьезоэлектрических акселерометров. Три основных конструкции – это режим сжатия, режим сдвига и режим изгиба.
На рисунке также показана сила, с которой контрольная масса действует на пьезоэлектрический элемент, а также ускорение, прикладываемое к корпусу датчика.
Механическая конфигурация может влиять на работу датчика несколькими способами. Это может повлиять на чувствительность сенсора, полосу пропускания, температурную чувствительность, а также на чувствительность к деформации основания сенсора. Например, датчик с компрессионным режимом имеет жесткую структуру, которая может обеспечивать относительно более высокий частотный диапазон. Однако в датчике, работающем в режиме сжатия, пьезоэлектрический материал находится в тесном контакте с основанием корпуса, и датчик чувствителен к изгибу основания и тепловому расширению. Вот почему этот тип может не подходить для использования в термически нестабильной среде или на металлической конструкции, которая может изгибаться.
В датчике с режимом сдвига пьезоэлектрический элемент испытывает деформацию сдвига при воздействии ускорения. Этот тип также имеет высокочастотный диапазон, но при этом менее чувствителен к изгибу основания и колебаниям температуры. Акселерометры режима сдвига являются наиболее популярной конфигурацией.
Гибкий тип имеет менее жесткую структуру и, следовательно, предлагает более низкий частотный диапазон. В этом типе пьезоэлектрический элемент испытывает относительно большую нагрузку при заданном значении ускорения. В результате эта структура обеспечивает более высокую чувствительность; однако он относительно хрупок.
Как и в случае с МЭМС-акселерометром, работа пьезоэлектрического акселерометра основана на втором законе движения Ньютона. Контрольная масса и пьезоэлектрический элемент могут быть смоделированы в виде конструкции масса-демпфер-пружина. Перемещение массы можно описать классическим дифференциальным уравнением движения второго порядка. Резонансное поведение этой механической системы определяет верхний частотный предел пьезоэлектрического акселерометра, который можно увидеть на следующем рисунке.
Как правило, если мы ограничим частоту входного ускорения ниже одной трети резонансной частоты акселерометра, погрешность отклика должна быть менее 12%.
Как показано на следующем рисунке, пьезоэлектрические акселерометры не способны точно измерять постоянный сигнал и не могут выполнять настоящие статические измерения.
Нижний предел частоты пьезоэлектрического акселерометра определяется нижней границей частоты усилителя, следующего за датчиком. В усилителях с режимом напряжения на нижний предел частоты также влияют параметры пьезоэлемента и емкость кабеля, проложенного между акселерометром и усилителем. Нижняя частота среза правильно спроектированного пьезоэлектрического акселерометра может быть ниже 1 Гц. Однако следует отметить, что эти датчики не способны к истинному отклику по постоянному току.
Например, они не могут измерить силу гравитации. Хотя на первый взгляд это может показаться большой проблемой, следует отметить, что многие приложения не требуют измерения сигналов ускорения в диапазоне долей герца. Следовательно, во многих приложениях отсутствие истинного отклика по постоянному току на самом деле не является недостатком. Также интересно отметить, что, помимо нижних ограничений частоты среза усилителя, пьезоэлектрические датчики изначально не подходят для истинных измерений постоянного тока. Это связано с тем, что внутреннее сопротивление датчика (а также входное сопротивление схемы формирования сигнала) может создавать сопротивление параллельно датчику.
Это паразитное сопротивление может создать нежелательный путь утечки выходного тока датчика и установить нижний предел используемого частотного диапазона системы.
© digitrode.ru