Пьезоэлектрическийэффект
Пьезочувствительный
элемент
пьезопреобразователь
Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру, которая определяет свойства пьезопреобразователей. Так, кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, электрические оси X, проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла.
В ненапряженном состоянии в пластине все заряды скомпенсированы, и она является электрически нейтральной. Если к пластине кварца вдоль оси X приложена сила F, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением. Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.
Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект).
Значение заряда при поперечном пьзоэффекте:
Q=-Kd(b/a)F,
где a, b - размеры пьезоэлемента соответственно в направлении осей X и Y.
Конструкцияпьезоэлектрическихдатчиков
давления
Измеряемое давление преобразуется мембраной 4 в усилие, вызывающее сжатие столбиков кварцевых пластин 2. Возникающий электрический заряд Q через выводы 1 подается на электронный усилитель 5, обладающий большим входным сопротивлением—1013 Ом.
Чувствительность пьезоэлектрических измерительных преобразователей давления может быть повышена путем применения нескольких, параллельно включенных кварцевых пластин и увеличе ния эффективной площади мембраны.
Верхние пределы измерений пьезоэлектрических преобразователей давления с кварцевыми чувствительными элементами 2,5 — 100 МПа.
Основным Недостатком пьезоэлектрических измерительных преобразователей является то, что в обычном исполнении они могут применяться только для измерения динамических усилий и давлений. Причина этого явления состоит в том, что электрический заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента в момент приложения усилия, со временем исчезает в силу утечки по экспоненциальному закону.
Резонансныйпринципизмерениядавления
Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании деформации резонатора в частоту колебаний.
В основу метода лежит известный "частотнорезонансный" принцип, который наглядно можно продемонстрировать на примере струны: натяжение струны контролируется ее собственной частотой колебаний (тоном). При натяжении струны ее тон (частота собственных колебаний) становится выше, приослаблении, наоборот, ниже. Сам по себе "частотнорезонансный" метод не нов, и в свое время производились датчики на этом принципе. Эти приборы хорошо себя зарекомендовали, однако не получили дальнейшего развития из-за низкой технологичности производства.
Современный резонансный сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло.
При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений.
Резонансныйпринципизмерениядавления
Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет обычно около 90 кГц.
Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.
Резонансныйпринципизмерениядавления
Изменение собственных частот резонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению. Дифференциальный выходной сигнал сенсора в сочетании с очень низким коэффициентом температурного расширения кремния обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления. Поскольку резонаторы идентичны, изменение температуры и статического давления приводит к сдвигу резонансных частот на одну и ту же величину, тогда как разность давлений изменяет разность частот. Кроме того, дифференциальный резонансный сенсор позволяет одновременно измерять сразу три величины: разность давлений, статическое давление и температуру.
Резонансныйпринципизмерениядавления
Частотный выходной сигнал с сенсора позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП, необходимость подстройки нуля и калибровки датчика после перенастройки шкалы (у цифрового датчика перенастройка сводится к изменению коэффициентов, используемых микропроцессором для пересчета результатов измерения в аналоговый выходной сигнал). При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется.
Приемуществарезонансногопринципа
измерениядавления
Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ:
•резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса (<0,001% измеряемой величины, в пределах погрешности эталонных средств измерения) и практически лишен нелинейности (<0,003% измеряемой величины),
•собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов, что обеспечивает сенсору иммунитет к вибрации,
•дифференциальный выходной сигнал сенсора обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления,
•у резонансного сенсора отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен "усталости", что обеспечивает практически абсолютную стабильность,
•частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования т.к. резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками с очень высокой точностью (<0,004% в серийных датчиках).
Магнитные(индуктивные) датчикидавления
Простейший (одинарный) |
Датчик с Е-образным сердечником |
|
|
индуктивный датчик |
|
Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.
Конструкциямагнитныхдатчиковдавления
дифференциальная схема |
мостовая схема |
Достоинствами индуктивных датчиков являются: а) высокая чувствительность; б) надежность в работе; в) большой срок службы; г) большая мощность на выходе.
К недостаткам относятся: а) нелинейность характеристики; б) наличие тока холостого хода на выходе датчика при нулевом положении якоря, т.е. при d =0; в) необходимость значительных усилий для перемещения якоря, так как в процессе работы датчика на якорь действует тяговое усилие со стороны электромагнита.
Указанные недостатки отсутствуют в реверсивных (двухтактных) датчиках, которые могут быть выполнены либо по дифференциальной либо по мостовой схемам.
При возбуждении мостовой схемы высокочастотным сигналом ее выходной сигнал модулируется по амплитуде приложенным давлением. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна разбалансу моста, а его фаза соответствует направлению этого разбаланса. На выходе такого датчика иногда ставят демодулятор для получения не переменного, а постоянного выходного напряжения.
Оптоэлектронныедатчикидавления
Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой чувствительностью. Оптические измерительные преобразователи давления воздуха (или других газов) и акустических колебаний могут быть созданы на основе нескольких принципов:
1.Изменение показателя преломления одного или нескольких слоев; в этом случае некоторые из слоев имеют воздушное (или газовое) заполнение и сообщаются с измеряемой средой; изменения давления приводят к изменениям показателя преломления слоя.
2.Изменение толщины одного или нескольких слоев; такая структура имеет мембранную структуру, и изменение давления приводит к равномерному или неравномерному законам распределения толщины слоя.
3.Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений с помощью интерферометра Фабри-Перо.