ФПНЭВ / chapter_07

 Тема 7 .article table { text-align: justify; } Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине«ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В СИСТЕМАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ»для специальности: «1-38 02 03 Техническое обеспечение безопасности». Оглавление | Программа | Теория | Практика | Контроль знаний | Об авторах Оглавление Теория Содержание

Раздел 1 Тема 1

Тема 2

Раздел 2 Тема 3

Тема 4

Тема 5

Тема 6

Тема 7

Тема 8

Тема 9

Тема 10

Тема 11

Тема 12

Раздел 3 Тема 13 Тема 14

Тема 15

Раздел 4 Тема 16

Тема 17

Тема 18

Раздел 5 Тема 19

Тема 20

Тема 21

Практика Лабораторные Лабораторная №1 Лабораторная №2 Лабораторная №3 Лабораторная №4 Практиктические Практиктическая №1 Практиктическая №2

Контроль знаний

Раздел 3: "Сенсорные элементы датчиков и извещателей" Тема 7: "Пьезоэлементы, пироэлементы, датчики, сенсоры и преобразователи на их основе."  

Рис. 1 Принципиальная схема пьезоэлектрического ак­селерометра. Ускорение, действующее на датчик, приводит к разности перемещений кожуха и инерционной массы, в результате чего появляется сила, действующая на кристалл. Выходной сигнал акселерометра прямо пропорционален ускорению или уровню вибраций

Пьезоэлектрический эффект часто лежит в основе датчиков вибраций и ускорений. Этот эффект заключается в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру, включающую в себя электрические диполи (раздел 3.6 главы 3). Эти датчики работают в частотном диапазоне менее 2 Гц....5кГц. Они также обладают хорошим подавлением внеосевых шумов, высокой линейностью и широким температурным диапазоном (до 1200С). Хотя иногда в качестве чувствительных элементов применяются кварцевые кристаллы, все же большее распространение для этих целей получили керамические пьезоэлектрические материалы, такие как титанат бария, титанат цирконат свинца (PZT) и метаниобат свинца. Кристалл располагается между кожухом и инерционной массой, на которую действует сила, пропорциональная ускорению (рис. ). Микродатчики обычно реализуются из кремния. Поскольку кремний не обладает пьезоэлектрическими свойствами, при формировании интегрированного микродатчика на кремниевую консольную балку наносится тонкая пленка из титаната свинца. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд-напряжение или токнапряжение, встроенных в один и тот же корпус с пьезоэлектрическим кристаллом.

Рис.2  Двойной пироэлектрический датчик: А- конструкция датчика в металлическом корпусе, Б — металлические электроды нанесены на противоположные стороны материала, В — эквивалентная схема двойного элемента

Пироэлектрические датчики также относятся к классу пассивных ИК детекторов  На рис. А показана типовая конструкция твердотельных пироэлектрических детекторов. Они размещаются в металлических корпусах ТО-5 или ТО-39, что обеспечивает хорошее экранирование и защиту от окружающей среды. Окошко, пропускающее излучение, обычно изготавливается из кремния. Внутреннее пространство корпуса часто заполняется сухим воздухом или азотом. Обычно используют два чувствительных элемента, соединенных последовательно или параллельно навстречу друг другу, для лучшей компенсации быстрых изменений тепловых потоков и механических нагрузок, возникающих из-за акустических шумов и вибраций. Иногда один из элементов покрывается красителем для увеличения поглощающей способности, а второй экранируется от излучений, а для улучшения его отражающей способности на него наносится слой золота. Иногда пироэлектрический чувствительный элемент изготавливается из нихро-мовых электродов, нанесенных с двух сторон пироэлектрика. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают электрические заряды. При использовании таких детекторов в датчиках движения излучение воздействует через окошко на оба пироэлектрических элемента.

Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристаллического материала (рис. 14.21Б). Металлические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С, и С2. На рис. 14.21В показана эквивалентная схема двойного пироэлектрического элемента. Такая конструкция дает возможность хорошо отбалансиро­вать оба элемента и, следовательно, устранить все синфазные помехи.

При разработке датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в пе­ременный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоян­ное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некото­рые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 9.4 показан вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи такого датчика следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механического резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия таких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генераторах, происходит сдвиг их резонансной частоты. Выражение для спектра собствен­ных механических частот пьезоэлектрического генератора имеет вид [13]:

Рис.3 .Пьезоэлектрический диско­вый резонатор, применяемый в диа­метральном датчике силы

где п — номер гармоники, l — геометрический параметр, определяющий резонансную частоту (например, толщина относительно большой и тонкой пласти­ны или длина тонкого длинного стержня), с — коэффициент упругой деформации (например, коэффициент жесткости при сдвиге вдоль толщины пластины или модуль Юнга в случае тонкого стержня), а r — плотность кристалла.

Частотный сдвиг возникает из-за нелинейности зависимостей некоторых параметров кристалла от величины внешних сил. Например, в уравнении коэффициент жесткости с зависит от приложенной нагрузки, тогда как плотность и геометрический параметр меняются при этом незначительно. Для каждого среза кристалла существуют направления, при приложении сил сжатия вдоль которых наблюдается минимальная чувствительность пьезорезонатора. При разработке генераторов выбираются имен­но эти направления, поскольку они позволяют реализовать наибольшую механическую стабильность. Тогда как при проекти­ровании датчиков разработчики преследуют противоположную цель, поэтому избегают использования данных направлений. Так для построения высокоэффективного датчика давления применили дисковый резонатор с диаметральным приложением сил.

  (С) БГУИР