Пьезоэлектрические датчики давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Кафедра АПП

РЕФЕРАТ

Дисциплина: Элементы и устройства автоматики

По теме: Пьезоэлектрические датчики давления

Выполнил: ст.гр. ЭЭ-14-2

Жасакбаев А.Д.

Приняла: Ст.преподаватель

Нурмаганбетова Г.С.

Караганда 2017

Содержание

Введение

1. История

2. Группы пьезоэлектрических преобразователей

3. Явления, происходящие в пьезоэлектрике

4. Принцип работы

5. Материалы для изготовления

6. Примеры современных пьезоэлектрических датчиков давления

Заключение

Список использованной литературы

Введение

У некоторых материалов наблюдается эффект электрической поляризации, изменяющейся при любой механической деформации материала. Когда к небольшому образцу такого материала приложена сила (или на него оказывается давление), между противоположными гранями образца возникает разность электрических зарядов. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Этот эффект наблюдается у материалов, в кристаллической решетке которых отсутствует центр симметрии, например у кварца. Любая внешняя механическая деформация вызывает изменение дипольного момента кристалла, что является причиной макроскопической электрической поляризации, приводящей в результате к возникновению разности зарядов на гранях кристалла. Этот эффект может также наблюдаться в материалах, обладающих центром симметрии, если только симметрия нарушена сильным электрическим полем из-за спонтанной поляризации материла.

Примером такого класса материалов (ферроэлектриков) является титанат бария. Может также наблюдаться и обратный эффект: образец пьезоэлектрического материала деформируется, когда к нему приложено электрическое напряжение.

1. История

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием силы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением, - пьезоэлектричеством, а материалы, в которых происходит это явление, - пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации . Это явление было названо обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта началось с 1917 г., когда французский физик Поль Ланжевен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладками, понижающими резонансную частоту преобразователя. Вначале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве эхолота; его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий и подводных лодок. После изобретения Ланжевена появились первые разработки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимателей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций, сил и ускорений и т.д.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлектрических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей: ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-химических свойств веществ и другие приборы. Вместе с тем актуальной стала разработка более эффективных электроакустических преобразователей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов.

2. Группы пьезоэлектрических преобразователей

Исходя из физического принципа действия, все пьезоэлектрические преобразователи делятся на три группы:

1) Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др.

2)Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

3)Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой способность некоторых материалов образовывать на гранях поверхности при механическом нагружении электрические заряды (так называемый прямой пьезоэффект), а при приложении электрического поля механически деформироваться (обратный пьезоэффект).

3. Явления, происходящие в пьезоэлектрике

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

пьезоэлемент кюри преобразователь

Рис. 2 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов.

Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

4. Принцип работы

Рассмотрим работу пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления.

На рис. 1 показано, как можно воспользоваться пьезоэлектрическим эффектом в датчике давления. Заряд Q, возникающий на гранях кристалла, пропорционален приложенной силе F, а давление Р = AF, где А - площадь поверхности, на которую действует сила F. Чувствительность по заряду пьезоэлектрического датчика силы определяется как

Эта чувствительность зависит от материала кристалла и его ориентации но не зависит от размеров кристалла. Чувствительность по напряжению по определению, равна

и, поскольку для конденсатора справедливо равенство Q = СV, находим

где С - электрическая емкость датчика. Очевидно, что чувствительность пьезоэлектрического датчика по напряжению зависит от его размеров.

Рис. 1 Пьезоэлектрический датчик давления

На рис. 2 показана электрическая эквивалентная схема такого датчика. Резистор R, включенный между двумя выводами, отражает обычно очень высокое сопротивление утечки. Благодаря этому становится невозможным с помощью датчика такого типа измерять статические силы. Статическая сила вызвала бы появление на выходе постоянного напряжения. Однако из-за утечки заряда через влажную или загрязненную поверхность и конечное объемное сопротивление величина постоянного напряжения быстро падает.

Рис. 2 Эквивалентная электрическая схема

Некоторые типичные характеристики реального пьезоэлектрического датчика давления таковы: материал - кварц; диапазон измерения 0 - 5000 Н/ см2; нелинейность 1%; чувствительность по заряду 3 пКл·см3/ Н; температурный коэффициент чувствительности ; емкость 8 пФ; резонансная частота 20 кГц; сопротивление утечки Ом.

Предположим, что выход пьезоэлектрического датчика соединен со входом усилителя напряжения (усилитель с очень большим входным импедансом). Поскольку усилитель обычно располагается на некотором расстоянии от датчика, соединение осуществляется с помощью длинного кабеля. На рис 3, где приведена эквивалентная схема, включающая датчик, кабель и входную цепь усилителя, приняты следующие обозначения: Ск - емкость, а Rк - сопротивление утечки между двумя проводниками кабеля; Сi - входная емкость, a Ri - входное сопротивление усилителя напряжения.

Рис. 3 Подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы с помощью кабеля

Входное напряжение усилителя равно Vi поэтому передаточная функция определяется как

В этом выражении r' представляет собой параллельное соединение резисторов R, RК и Ri, а С' - параллельное соединение конденсаторов Ск и Сi. На высоких частотах коэффициент передачи становится действительной величиной и равен SVC/(C + C'). Сигнал ослабляется из-за емкости кабеля и входной емкости. Из приведенного выражения для передаточной функции следует, что нижняя граничная частота f, по уровню -3 дБ равна fi = 1/2лR' (С + С'). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Поэтому для получения высокой чувствительности и малого значения f входной импеданс усилителя должен быть очень большим. Применяя специальный измерительный усилитель (электрометрический усилитель) можно получить входное сопротивление порядка 1014 Ом и входную емкость около 1 пФ.

Проблем, связанных с емкостью кабеля и входным импедансом усилителя, можно избежать, применяя в качестве меры силы величину заряда, а не напряжение. Выходной сигнал датчика поступает в этом случае на вход усилителя заряда, схематически изображенного на рис. 4.

Рис. 4 Схема усилителя заряда

Если коэффициент усиления A0 используемого операционного усилителя очень велик, то входное напряжение будет пренебрежимо малым при конечном выходном напряжении Vо. Это означает, что напряжения, приложенные к кабелю и к входному импедансу операционного усилителя, становятся приблизительно равными нулю. Пренебрегая импедансами кабеля и усилителя, видим, что выходной заряд датчика полностью стечет через импеданс, образованный паралелльным соединением Со и Rо.

Следовательно, передаточная функция равна:

Если R настолько велико, что wRoCo много больше единицы, то коэффициент передачи будет действительной величиной:

У операционного усилителя всегда имеется небольшой втекающий или вытекающий входной ток (необходимый для обеспечения требуемого режима по постоянному току входных транзисторов усилителя). Поэтому в отсутствие Rо усилитель заряда интегрировал бы этот ток до тех пор, пока, наконец, не попал бы в состояние насыщения на выходе. Однако сопротивление резистора Ro надо выбирать большим для того, чтобы на низких частотах усилитель заряда работал удовлетворительно. Как следствие, операционный усилитель должен иметь крайне малые входные токи смещения (например, во входном каскаде должны быть применены полевые транзисторы).

Выходное напряжение усилителя заряда Vo пропорционально заряду Q, возникающему на выходе датчика, поскольку Vo =-FSq/C0 =-Q/C. Малое значение выходного импеданса источника напряжения Vo может пригодиться впоследствии в процессе дальнейшей передачи.

5. Материалы для изготовления

Наиболее перспективным пьезоэлектрическим материалом является пьезокерамика. Возможность использования пьезокерамики в приборостроении и автоматике появилась лишь в начале 60-х годов, когда был освоен промышленный синтез пьезокерамических материалов, обладающих по сравнению с такими естественными пьезоэлектриками, как кварц, сегнетова соль, турмалин и др., высокой чувствительностью, механической прочностью, повышенной температурной стабильностью. С этого времени в отечественной и зарубежной литературе появляется большое число публикаций по применению пьезокерамических элементов, а также началось их внедрение в промышленность .

Пьезокерамика обладает многими достоинствами. Технология производства пьезокерамики проста, а значит, удается значительно снизить стоимость преобразователей на ее основе. Высокая радиационная стойкость пьезокерамических материалов ставит вне конкуренции те устройства на их базе, которые рассчитаны на работу в условиях повышенной радиации. Пьезокерамические элементы исключительно стойки к действию различных агрессивных сред. Это позволяет использовать пьезокерамические устройства во многих сложных химических производствах.

Недостатком пьезокерамики, по сравнению с кварцем, является низкое значение точки Кюри Тк (для кварца это значение составляет Тк - 570°С, для пьезокерамики на основе титаната бария в пределах 100-200°С). Однако сейчас уже разработаны высокотемпературные пьезокерамические материалы, которые имеют значение точки Кюри в пределах кварца. Так, элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР, не теряют своей работоспособности при температурах до 300-400°С (например, для ЦТС-21 Тк = 400°С), а на основе кобальта способны выдерживать температуру, равную 700°С и более.

Широкий диапазон температур позволяет использовать пьезокерамические преобразователи от +400 до -270°С. Более того, специальные преобразователи могут использоваться, например, для измерения давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, где температура колеблется от нормальной до +1600°С, а радиационная температура может достигать +3000°С.

Широкий диапазон измерения пьезокерамических преобразователей охватывает несколько десятичных порядков. Пьезопреобразователи имеют высокую разрешающую способность и выдерживают высокие давления.

Пьезоэлектрические датчики позволяют измерять высокие давления, имеют большую жесткость, что особенно важно при изготовлении динамометров для измерения в широком диапазоне частот.

Диэлектрическая природа пьезоэлемента, функционирование за счет действия электрического поля, практическое отсутствие тока (токи утечки в 10~~6-10~8 А) обеспечивают ему качество взрывобезопасного элемента, КПД которого близко к 100%. Это свойство можно использовать на взрывоопасных предприятиях, к числу которых относятся практически все нефтехимические производства.

Таким образом, применение пьезокерамических элементов открывает широкие перспективы в различных областях науки и техники. Пьезокерамические элементы - элементы функциональной электроники - используют в радиоэлектронике, устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники. Развитие этого нового научно-технического направления привело к созданию высокоэффективных пьезоэлектронных источников высокого (до 100 кВ) и низкого напряжений, пьезоприводных устройств широкого назначения с поступательным, вращательным и сложными видами движений, пьезокерамических матриц и запоминающих устройств. Пьезоэлементы широко используют в качестве экономичных преобразователей энергии сигналов.

6. Примеры современных пьезоэлектрических датчиков давления

1. ПД-4, ПД-6 - пьезоэлектрические датчики пульсации давления в топливном трубопроводе дизельного двигателя.

Описание и технические характеристики

Пьезоэлектрические датчики ПД-4, ПД-6 предназначены для преобразования радиальной деформации топливного трубопровода высокого давления дизельного двигателя в электрический заряд.

Датчики могут быть использованы как первичные преобразователи:

а) для отметки момента начала впрыскивания топлива в дизельных стробоскопах;

б) для оценки характера изменения давления в топливопроводе в измерительных системах диагностики дизелей.

Технические характеристики:

1. Диаметр трубопровода, мм: для датчика ПД-4 от 4 до 6; для датчика ПД-6 от 6 до 8.

3. Габариты датчика, мм 30 х 22 х 6.

4. Емкость, пФ, не менее 250.

2. Датчики давления пьезоэлектрические типа 014МТ, 018 и 019.

Предназначены для преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал и используются в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, тепла, газа, пара и других однородных сред.

Датчики попарно монтируются в элементы трубопровода с условным проходом от 25 до 200 мм за телом обтекания и регистрируют вихри, частота и количество которых пропорционально скорости потока и объемному расходу.

Заключение

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства, этот параметр используется при косвенных измерения других технологических параметров: фуровня, расхода, температуры, плотности и т.д., на летательных аппаратах для измерения давления воздуха, газов и жидкостей в элементах двигателя и в различных бортовых системах - системе наддува герметичной кабины, в тормозной системе, в системах выпуска шасси, закрылков и т.д.

Основным преимуществом пьезоэлектрических датчиков давления является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Список использованной литературы

1. К.Б. Классен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва: Техносфера, 2006. - 632 с.

3. http://www.nppnts.ru (сайт фирмы НПП «НТС»)

4. http://www.gorelki.com (сайт ЗАО «Фаза»)

5.Агейкин, Д.И. Датчики контроля и регулирования / Д.И. Агейкин. Изд-во «Машиностроение». - М., 1965. - 416 с.;

Размещено на Allbest.ru