2.1 Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики (сенсоры), ПЭД - измерительные преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом эффекте, служат для преобразования механического усилия в электрический сигнал. Простейший пьезоэлектрический датчик - пластина пьезоэлектрика, зажатая между токопроводящими поверхностями, к которым прикладывается измеряемые усилия (ЭДС, возникающая между токопроводящими слоями, обкладками пьезопластины, пропорциональна усилию).
Наибольшее применение в ПЭД нашли пьезокерамические датчики (ПКД) на основе сегнетоэлектрической керамики (пьезокерамики), благодаря большому пьезоэлектрическому эффекту, высокой точке Кюри, стабильности свойств в широком диапазоне температур, механической прочности, относительно простой технологии изготовления ПКД с возможностью получения пьезоэлементов требуемой конфигурации.
Электрические заряды (пьезоэлектричество) возникают при деформации кристалла (прямой пьезоэлектрический эффект), деформация кристалла происходит под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект).
В ПКД вибрации приложенная нагрузка равна произведению инерционного элемента на ускорение, действующее в точке установки датчика. В конструкциях ПКД используют пьезопреобразователи (ПП), работающие на растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг.
Ультразвуковые пьезопреобразователи, чувствительные элементы которых изготовлены в виде монолитных блоков в сочетании с демпферами с переменными акустическими характеристиками, используются в качестве сенсоров, информирующих о состоянии, сплошности, расслоениях, трещинах, пористости, расположения дефектов в объеме конструкционных ИВПКМ.
Для контроля напряженного состояния используют ультразвуковые методы и применяют тензорезисторы. На рисунке 1.1 приведена схема датчика с основным и вспомогательными пьезоэлементами, обеспечивающего прямое измерение механических напряжений внутри конструкции из ВПКМ. Пьезоэлектрический датчик (ПЭД) контролируемо нарушает сплошность материала, изменяя значение упругопрочностных свойств. Датчик содержит основной, вспомогательный и дополнительный пьезоэлементы. Изменение упругопрочностных свойств ВПКМ фиксируется при изменении размеров пьезоэлементов, их деформации.
1 - вспомогательный элемент; 2 - основной пьезоэлемент; 3 - дополнительный пьезоэлемент;
4 – тензодатчик; 5,6 - клеммы к источнику постоянного напряжения;
7,8 - электрические выводы.
Рисунок 2.1 - Схема тензорезисторного датчика для прямого измерения механических
напряжений в объеме ВПКМ.
ПЭД механических напряжений обладает избирательностью на определённую компоненту механического напряжения. Избирательность ПЭД достигается за счет того, что направление вектора электрического поля, возбуждающего пьезоэлемент, совпадает с направлением изменяемой компоненты механического напряжения. Нижний пьезоэлемент возбуждается электрическим способом и вынуждает колебаться верхний, который возбуждается измеряемой компонентой механического напряжения (рисунок 1.2).
Рисунок 2.2 - Схема работы пьезодатчика (ПЭД) механических напряжений.
Совершенствование средств пьезоэлектрического приборостроения привело к разработке тонкопленочных чувствительных элементов на основе гетероэпитаксиальных или почти аморфных пленок с использованием электрооптического и акусто -оптического эффектов. Сегнетоэлектрические с пьезоэлектическими свойствами пленки способны работать в области СВЧ (высокая диэлектрическая проницаемость упрощает согласования с СВЧ - трактами), перспективны для ячеек памяти высокого быстродействия.
Сегнетоэлектрические пленки получают золь - гелевым методом и методом ВЧ катодного распыления. Они имеют широкий диапазон применений: фазовращатели и усилители СВЧ, интегральные пироэлектрические сенсоры, модуляторы света в оптоволоконных системах, приемники электромагнитного излучения.
Для сегнетоэлектрических пленок (толщина 2-5 мкм) характерна малая инерционность пироэлектрического эффекта (наносекундный диапазон).
Пленочные сенсоры (рисунок 1.3) динамической деформации эффективнее тензорезистивных датчиков в условиях циклического нагружения (высокая чувствительность до 40·106 циклов).
1 - пленка; 2 - контактная площадка; 3,4 - токопроводы; 5 - электрод;
6 - фиксация токопровода; 7 - изоляция токопровода от исследуемого материала.
Рисунок 2.3 - Схема сенсора динамической деформации на основе сегнетоэлектрической пленки
(пленка РЬ, Zr, Ti; масса сенсора 0,3г; 3x3x0,05мм; емкость 400 - 2000пФ).
Ультразвуковые пьезопреобразователи, чувствительные элементы которых изготовлены в виде монолитных блоков в сочетании с устройствами с переменными акустическими характеристиками, используются в качестве сенсоров, информирующих о состоянии, сплошности, расслоениях, трещинах, пористости, расположение дефектов в объеме конструкционных ПКМ.
Датчики давления на основе магнитострикционных материалов (магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании из-за изменения расстояний между узлами решетки в ферро- и ферримагнетиках) -измерительные преобразователи, действие которых основано на магнитострикционном эффекте, переходе электромагнитной энергии в механическую, и эффекте Виллари, обратном магнитострикции, изменении намагниченности материала при его деформации. Магнетострикция используется при разработке датчиков (и микродвигателей) из пьезомагнитных (измерение длины стержня под влиянием внешнего магнитного поля) и пьезоэлектрических (обратный пьезоэффект) материалов, пьезомагнетизм (намагничиваемость антиферромагнетиков СоF2, МnF2, α-Fe2O3) обусловлен упругой деформацией кристаллических решеток.
Кремневые сенсоры давления обычно состоят из 4-х резисторов и чувствительны только к одностороннему сжатию или растяжению, диапазон измеряемых давлений (до 200 МПа, собственная частота < 250 кГц) зависит от толщины диафрагмы.
Первичные преобразователи давления (резисторы) толщиной 15 - 30 мкм с размерами датчиков от 0,5х0,5х0,3 мм до 3,5х1,0х0,3 мм на основе А1х Gal-x As (твердые растворы GaAs и AlAs) на подложке из GaAs (резисторы формируют методом фотолитографии) предназначены для измерения давления при непосредственном размещении в измеряемой среде. Так как сопротивление датчика является функцией температуры, сопротивление линейно увеличивается под воздействием всестороннего сжатия. Датчик на основе А1х Gal-x As используют для измерения высоких, быстроизменяющихся гидростатических давлений в условиях всестороннего сжатия.
На вибрации и разрушающий импульс кроме ПКД реагируют электромагнитные, магнитометрические, инерционно-механические, трибоэлектрические (эффект контактной электролизации) вибродатчики.
При создании ПКД определяющим конструктивным элементом является пьезоэлемент или пьезомодуль, который в процессе изменения физических параметров, будучи основным преобразующим элементом, определяет надежность и точность датчика.
Кварцевые резонаторы используют пьезоэффект и изготавливаются по полупроводниковой технологии, интегрируются в состав электронных микросхем. Разработаны микровибраторы, в которых электростатические силы вместе с емкостными датчиками обеспечивают устойчивую автогенерацию электрических колебаний, а механическая консольная конструкция вибратора стабилизирует генерируемые частоты. Подобные тактовые генераторы подключаются к микропроцессорам на монтажной плате (внешние элементы) или интегрируются внутрь. Возбуждение колебаний происходит не за счет пьезоэффекта, а благодаря электростатическому притяжению с долговременной стабилизацией частоты.
В керамических пьезоматериалах напряжения и деформации приводят к появлению электрического заряда. Он же преобразует электрическое поле в механическое напряжение, возбуждая ультразвуковую волну, аналогичными свойствами обладают электроактивные пьезополимеры и полимерные материалы, наполненные пьезокомпонентами.
Электроактивные полимеры (модифицированный поливинилиденфторид, ПВДФ, сополимеры винилиденфторида и трифторэтилена, пористые и многослойные полипропилен, ПТФЭ, сополимеры ТФЭ с перфторметил (пропил) виниловым эфиром, жидкокристаллические эластомеры), в которых реализуются преобразования химических, тепловых, механических изменений в электрические сигналы, используются для изготовления сенсоров ( и изделий микромеханики-актюаторов, см. далее.). Их использование в качестве сенсоров базируется на прямом пьезоэффекте (преобразование механического усилия в электрический сигнал при непосредственном воздействии на пьезоэлектрик или на материал, в котором пьезоэлектрик размещен в качестве сенсора).
Пьезоэлектрические датчики в виде гибких полимерных сенсорных пленок позволяют проводить измерения во множестве точек, имеют множество выходов (микроканалов связи), дают интегральную информацию о состоянии объема материала конструкции, его напряженности.
Пьезоэлектрические полимеры наносят и на поверхность волокон (наполнителей ВПКМ) для фиксации напряженного состояния гетерофазной структуры по показателям характеристик электрических сигналов. При деформациях пьезоволокон из пьезокерамики, пьезополимеров (введенных в структуру ВПКМ), волокон с покрытием из пьезополимеров, углеродных волокон, волокон с токопроводящими покрытиями изменяются их электросопротивление, что используется для оценки, контроля уровня деформации, степени поврежденности материала.
Акустические датчики из ПВДФ, наполненных цирконатом титанатом свинца полиэпоксидов, имеют высокую чувствительность в диапазоне 1-10 МГц и используются в системах акустической пеленгации.